Валерий Рыбин
Начальник научно-производственного комплекса (НПК) «Атом»

Материаловедческие исследования в «горячей» лаборатории

    На рубеже 50 – 60-х годов началось строительство первых атомных энергетических реакторов. Наука столкнулась с абсолютно новым, ранее нигде не встречавшимся явлением длительного воздействия интенсивных нейтронных потоков на структуру и свойства конструкционных материалов. Предварительные исследования показали, что этот эффект техногенного происхождения очень серьезен, приводит к сильной деградации свойств материалов и определяет ресурс их работоспособности. Для изучения его в 1967 году в ЦНИИ КМ «Прометей» был введен в эксплуатацию крупнейший на Северо-Западе Европы комплекс «горячих» камер, предназначенных для работы с образцами, радиоактивность которых может достигать 25000 Кюри.
    Эта единственная в мире «горячая» лаборатория, являющаяся частью не ядерно-физического или проектно-конструкторского, а чисто материаловедческого центра. Поэтому все новейшие материаловедческие идеи, разработки и методы находят в ней естественное и полное воплощение. Семнадцать объединенных в единую технологическую цепочку, дистанционно управляемых «горячих» камер позволяют производить замкнутый цикл материаловедческих исследований, начиная от разделки массивных кусков радиоактивного материала и изготовления из них стандартных и нестандартных образцов до всестороннего изучения структуры и физико-механических свойств облученных материалов, изменения их под воздействием дополнительных факторов – в первую очередь термического и коррозионного. На базе проведенных исследований были выявлены основные закономерности влияния легирующих и примесных элементов на деградацию механических свойств сложнолегированных сталей для корпусов атомных энергетических установок различного назначения, создана лучшая в мире коррозионно- и радиационно-стойкая корпусная сталь типа 48 ТС, экспериментально оценен ресурс ее безопасной эксплуатации.

Установка для очистки химически- и радиоактивнозагрязненных вод

    В 80-е годы корпуса первых атомных энергетических реакторов типа ВВР-440 начали вырабатывать свой ресурс. Появилась сложнейшая научно-техническая и экономическая проблема обоснования возможности продления срока их эксплуатации. В ЦНИИ КМ «Прометей» совместно с ИАЭ им. И.В. Курчатова были развернуты работы по обоснованию режимов восстановительного отжига корпусов энергетических реакторов типа ВВР-440. На базе этих исследований в широкой кооперации с другими научными и проектными организациями, объединенными в товарищество МОХТ-ОТЖИГ РМ, была доведена до практического воплощения технология восстановительного отжига корпусов атомных энергетических реакторов типа ВВР-440. К середине 90-х годов было проведено 12 восстановительных отжигов на атомных электростанциях России, стран ближнего и дальнего зарубежья, которые позволили продлить срок безопасной эксплуатации соответствующих реакторов по крайней мере еще на 10 – 15 лет.
    Окончание холодной войны и подписание международных соглашений об ограничении стратегических вооружений привели к снятию с боевого дежурства и необходимости утилизации устаревших атомных подводных лодок. На борту у большинства выведенных из эксплуатации АПЛ находятся атомные реакторы с невыгруженным ядерным топливом, а те реакторы, которые разгружены, требуют специального хранения. На судостроительных предприятиях накапливаются буквально горы радиоактивных отходов. ЦНИИ КМ «Прометей» активно занимается решением этой проблемы. При институте создан межотраслевой Центр ядерной и радиационной безопасности, который контролирует состояние ядерной и радиационной безопасности на базах флота и судоремонтных предприятиях, ведет учет и разрабатывает соответствующую нормативно-распорядительную документацию. Разработанные в институте современные технологии утилизации жидких и твердых радиоактивных отходов позволяют создать мобильные, малогабаритные и высокопроизводительные установки по их переработке.
    Большие работы ведет институт по созданию принципиально новых материалов для экологически безопасных атомных энергетических установок, которые в начале XXI века придут на смену существующим. Это – высокопрочные и коррозионностойкие малоактивируемые сплавы и стали с быстроспадающей наведенной радиоактивностью для корпусов водо-водяных энергетических реакторов. Применение таких материалов позволит не только улучшить радиационную обстановку на атомных электростанциях, облегчить и удешевить проведение ремонтных работ, но и коренным образом решить проблему вывода из эксплуатации, утилизации или захоронения атомных реакторов, выработавших свой ресурс и по тем или иным причинам не подлежащих восстановительному отжигу.
    Предмет особой гордости института – работы по созданию комплекса конструкционных материалов для энергонапряженных узлов будущего термоядерного реактора. Эти работы ведутся в рамках ИТЭР – проекта создания международного экспериментального термоядерного реактора, равноправными участниками которого являются Россия, США, Япония и страны Европейского Союза.
    Радиационное материаловедение – лишь один из примеров современных тенденций развития науки о материалах в целом. Она идет в направлении создания новых перспективных материалов и наукоемких технологий их получения. Прежде всего это относится к аморфным, нано- и микрокристаллическим материалам, покрытиям, материалам с развитой поверхностью, с особыми свойствами границ раздела. Такие материалы формируются в условиях инертной или контролируемой атмосферы, при сверхвысоких скоростях нагрева и охлаждения, под воздействием интенсивных потоков энергии, в условиях больших скоростей столкновения, под воздействием других факторов, способствующих созданию метастабильных состояний.
    ЦНИИ КМ «Прометей» разработал и имеет уникальные установки и стенды, позволяющие проводить работы подобного направления. Это, в частности, установки «Атмосфера». Они состоят из обитаемой объемом до 1000 м3 герметической камеры, заполненной аргоном и насыщенной технологическим оборудованием, в которой процесс ручной, полуавтоматической, автоматической сварки осуществляется или контролируется непосредственно сварщиком-оператором, одетым в герметичный защитный костюм и находящимся в аргоне. Системы обеспечивают высокую чистоту и эффективное использование аргона при сварке, а также комфортные и безопасные условия сварщику, работающему в камере.

Подготовка к сварочным работам в герметической камере, заполненной аргоном

    Институтом были разработаны и при его участии созданы на промышленных предприятиях установки «Атмосфера» для изготовления уникальной техники с высокими тактико-техническими характеристиками за счет применения титана, ниобия, вольфрама, молибдена, циркония, ванадия, лития, высокотемпературная обработка которых в обычных условиях на воздухе практически невозможна. Это, наконец, комплекс оборудования и технологических процессов, которые позволяют сохранить аномально высокие свойства исходных функциональных материалов при производстве современных изделий двойного применения. Их общая черта – сверхзвуковые методы получения покрытий. К ним можно отнести:
    – плазменное напыление со скоростями, в 2 – 8 раз превышающими скорость звука;
    – магнетронное и ионное распыление с управляемым потоком плазмы;
    – ударно-активаторные технологии.
    Реализация этих технологий позволила создать:
    – экологически чистые источники получения тока и тепла с удельной энергоемкостью в 7 – 10 раз выше, чем у традиционных аккумуляторов;
    – экраны, ослабляющие действие электромагнитного излучения в 200 – 1000 раз;
    – эффективные нейтрализаторы вредных газообразных выбросов, в том числе автомобильного транспорта;
    – медицинские инструменты, обладающие бактерицидными свойствами;
    – жизненно важные медицинские препараты и эффективные легко усваиваемые продукты питания с регулируемым составом жиров, аминокислот и углеводов;
    – декоративно-защитные покрытия на металл, стекло, керамику, дерево, полимерные материалы, имитирующие золото, платиновую чернь, кобальтовую синь, перламутр и другие цветовые гаммы.
    Качество используемых материалов и технологий определяет уровень технической цивилизации общества. Способность разрабатывать и производить новые перспективные материалы, создавать и внедрять наукоемкие технологии определит положение страны в ближайшем будущем. Наша задача – сохранить в это непростое время преемственность научных школ, не дать порваться связям, соединяющим науку и практику, отстоять и по возможности укрепить лидирующее положение России в материаловедении – области знаний, где позиции России были всегда традиционно сильны.