Александр Ватулин
Генеральный директор ФГУП «ВНИИНМ» им. акад. А.А. Бочвара

    С самого начала реализации атомного проекта разработку новых материалов и создание технологий их производства возглавил выдающийся ученый А.А. Бочвар. В первую очередь объектом исследований являлись делящиеся материалы – легкие актиноиды и сплавы на их основе. Несмотря на прикладную направленность, все материаловедческие поиски во Всероссийском научно-исследовательском институте неорганических материалов (ВНИИНМ) носили фундаментальный характер. Полученные результаты до сих пор не утратили своей актуальности.
    Конструкционные реакторные материалы подвергаются интенсивному облучению, воздействию теплоносителя высоких параметров, продуктов деления ядерного топлива, термомеханическим нагрузкам. Происходит накопление радиационных дефектов, приводящее к изменению исходных механических свойств. Главная задача при разработке новых материалов – обеспечить допустимые колебания этих характеристик, определяемых требованиями к твэлам, тепловыделяющим сборкам (ТВС) и другим элементам реактора.
    В настоящее время основу мировой ядерной энергетики составляют реакторы на тепловых нейтронах, охлаждаемые водой – под давлением или кипящей. К отечественным достижениям следует отнести разработку и успешную промышленную эксплуатацию реактора БН-600 на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением. Ведется строительство более мощного БН-800. Разрабатывается проект быстрого реактора «БРЕСТ» повышенной безопасности со свинцовым теплоносителем и пристанционным топливным циклом.
    Основным конструкционным материалом активных зон реакторов на тепловых нейтронах с водным теплоносителем являются циркониевые сплавы. Они обладают такими уникальными свойствами, как низкий коэффициент захвата нейтронов, хорошая коррозионная стойкость, высокая пластичность.
    В связи с концепцией безопасного развития отечественной атомной энергетики и выходом продукции из циркония на мировой рынок по конкурентоспособной цене в последние годы проведена реконструкция производства слитков и готовых изделий и начато обновление химико-металлургического передела в ОАО «Чепецкий металлургический завод». Здесь проводится комплекс исследований, направленных на cоздание хлоридно-ректификационной магниетермической технологии производства губчатого циркония с пониженным до 0,01 % содержанием гафния. Это необходимо для обеспечения минимального содержания в активной зоне реактора материалов с повышенным коэффициентом захвата нейтронов. Внедрение новой технологии позволит значительно снизить себестоимость циркония.
    В качестве конструкционных материалов для элементов активных зон реакторов с водным теплоносителем остаются нержавеющие стали. Они, например, приемлемы для оболочек поглощающих элементов, где требования по захвату нейтронов не являются лимитирующими, а срок службы в 10 – 15 лет существенно превышает ресурсные возможности циркониевых сплавов.
    Аустенитные стали типа 0Х18Н10Т, 00Х16Н15М3Б и др., обладая высокой общей коррозионной стойкостью, склонны к межзеренному разрушению. Причиной является преимущественное протекание зернограничной деформации, ускоряемое нейтронным облучением, а также радиационное упрочнение тела зерна. Поэтому основной задачей при разработке новых сталей становится поиск материала с другим механизмом пластического деформирования. Результатом исследований явилась разработка стойкого к облучению и коррозионному растрескиванию высокопрочного хромоникелевого сплава «Бочваллой», (ХНМ-1 – 43 % Cr, 1 % Mo), названного в честь А.А. Бочвара. На протяжении более 80 тыс. часов сравнительных испытаний на коррозионное растрескивание ни один из образцов этого сплава не разрушился.
    Исследование влияния нейтронного облучения до высоких флюенсов (32 смещ./ат.) на механические свойства сплава «Бочваллой» показали, что его общее и равномерное удлинение при температурах облучения до 350^оС и последующих испытаний при температурах до 500^оС практически не изменяются, что говорит о существенно меньшей радиационной повреждаемости по сравнению с нержавеющими сталями.
    Сплав «Бочваллой» имеет еще одну особенность – высокие прочностные характеристики, близкие к сталям перлитного класса, что позволяет рассматривать его как перспективный альтернативный материал для корпусных конструкций.
    Для пружинных элементов твэлов и ТВС реакторов ВВЭР и РБМК разработан новый универсальный железохромоникелевый дисперсионно-упрочняемый сплав ЭК173-ИД (ХН40М5Т2ГЮБР) с повышенными характеристиками упругости, прочности, релаксационной, радиационной и коррозионной стойкости.
    Для оболочек твэлов реактора БН-600 с натриевым теплоносителем применяется сталь аустенитного класса ЧС68. После внедрения таких оболочек в холоднодеформированном на 20 % состоянии реактор работает стабильно в течение 8 лет до проектного выгорания 10 % тяжелых атомов (т.а.). На немалом количестве твэлов достигнуто более высокое выгорание топлива – до 11,6 % т.а., соответствующее повреждающей дозе 87 смещ./ат. Перед коллективом института поставлена задача увеличения глубины выгорания топлива до 14 % т.а. (повреждающие дозы облучения 100 – 120 смещ./ат.). Для ее решения разработана новая комплексно-легированная радиационно-стойкая сталь аустенитного класса ЭК164. Оболочки из нее изготавливаются по существующей технологии с холодной деформацией 20 %. В этой стали достигнута большая стабильность g-твердого раствора за счет увеличения содержания никеля и марганца и введения трех карбидообразующих элементов – титана, ванадия и ниобия. Кроме того, сталь дополнительно легирована редкоземельными металлами.
    Институт, а значит и Россия, лидируeт в разработке 12 %-хромистой стали для чехлов ТВС реакторов на быстрых нейтронах: 10 лет их безотказной промышленной эксплуатации в реакторе БН-600 надежно доказали высокую радиационную стойкость стали ЭП450. Послереакторные исследования позволяют считать, что чехлы ТВС из нее не будут лимитировать достижение более высоких выгораний топлива.
    В термоядерных реакторах могут применяться только стали с быстрым спадом наведенной активности. В то же время все служебные характеристики металла должны быть на уровне, а по некоторым показателям даже выше, чем у активируемых сталей. Во ВНИИНМ разработана жаропрочная сталь 16Х12В2ФТаР, которая по своим свойствам в наибольшей степени удовлетворяет требованиям к конструкционному материалу первой стенки и бланкета реактора ДЕМО.
    Хорошие нейтронно-физические свойства алюминия делают его привлекательным для изготовления твэлов исследовательских реакторов. Сплавы из него должны обладать высокой прочностью и эрозионной стойкостью. Специалистами института уже разработаны:
    – низколегированный алюминиевый сплав АМСН2 (суммарная концентрация железа и кремния не превышает 0,35 масс.%) с минимально возможным поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов. Для повышения температуры эксплуатации до 200^оС в сплав введено небольшое количество титана;
    – термически упрочняемый сложнолегированный сплав 99 (AI-Ni-Fe-Cu-Mg-Cr).
    Уникальным сочетанием физических и механических свойств обладает бериллий. По удельным жесткости, прочности и теплоемкости он превосходит все другие материалы. По плотности бериллий сравним с самыми легкими магниевыми сплавами. ВНИИНМ – единственное предприятие в России, располагающее металлургическим модулем, включающим переделы получения порошков бериллия, их компактирования методами холодного изостатического и горячего прессования, а также обработки – давлением и механической.
    Для улучшения качеств навигационных систем созданы конструкционные сорта бериллия. Изготовленные из него гироскопы на порядок повысили точность систем, существенно сократили время готовности и увеличили гарантийный ресурс.
    С целью повышения коэффициента зеркального отражения металлооптических элементов лазерных систем с длиной волны 10,6 мкм разработаны оптические сорта бериллия. По уровню прочностных характеристик они соответствуют американским сортам S-65 и J-220-1, практически изотропны по КТЛР и обладают отражающей способностью более 98,4.
    Однако дальнейшее развитие технологических и материаловедческих разработок по бериллию применительно к атомной, авиакосмической и специальной технике сдерживается из-за отсутствия в России рудно-металлургического производства. Вместе с другими предприятиями отрасли ВНИИНМ необходимо выполнить огромную работу по созданию замещающих производств и совершенствованию технологии изготовления бериллиевых изделий на отечественных предприятиях.
    Современное материаловедение сверхпроводников решает две основные задачи – создание перспективных материалов с еще более высокими критическими свойствами и надежной технологии их получения. В институте накоплен большой опыт по разработке и исследованию композиционных низкотемпературных (НТСП) и высокотемпературных (ВТСП) материалов, которые нашли широкое применение в электротехнике и электроэнергетике.
    Технические композиционные сверхпроводники на основе деформируемого ниобий-титанового сплава при рабочей температуре 4,2 К (температура кипения жидкого гелия при нормальном давлении) обеспечивают возможность генерации магнитных полей с индукцией до 10 Тл, а материалы на основе интерметаллического соединения Nb₃Sn при той же рабочей температуре – генерацию магнитных полей до 20 Тл.
    Ниобий-титановые сверхпроводники для ускорительной техники, магнитной сепарации руд, медицинской томографии и др. разрабатываются и исследуются во ВНИИНМ в течение 30 лет. Созданные технологии позволяют производить длинномерные (до 30 км) круглые проводники диаметром от 1,75 до 0,1 мм со сверхпроводящими волокнами диаметром от нескольких десятков микрометров до долей микрометра и критической плотностью тока до 3000 А/мм² в поле 5 Тл, а также прямоугольные проводники с площадью сечения от 7 до 28 мм² и токонесущей способностью от 580 до 18000 А.
    Важной областью применения сверхпроводников на основе Nb₃Sn является создание высокопольных соленоидов для различных физических лабораторий. С этой целью во ВНИИНМ разработаны стабилизированные проводники. Различные их конструкции имеют от нескольких десятков до сотен тысяч волокон, содержат легирующие и стабилизирующие компоненты, позволяющие достичь высокой токонесущей способности в широком интервале магнитных полей вплоть до 20 Тл.
    Лидирующие позиции России в разработке технологий НТСП-материалов подтверждены ее участием в одном из крупнейших современных проектов – создании экспериментального термоядерного реактора ( ИТЭР ) со сверхпроводящей магнитной системой. В рамках этого проекта ВНИИНМ разрабатывает и производит сверхпроводники на основе Nb₃Sn и NbTi, полностью отвечающие требованиям мирового уровня.
    Высокотемпературные сверхпроводники рассматриваются как основной материал для создания нового поколения электроэнергетического и электротехнического оборудования. Во ВНИИНМ отработаны основы технологии технических ВТСП. Найдены приемы, обеспечивающие получение многожильных композиционных ВТСП с плотностью тока до 100 А/мм² при температуре жидкого азота (77 К). Среди высокотемпературных сверхпроводящих соединений наибольший интерес для технического использования представляют соединения Bi-Pb-Sr-Ca-Cu-O и Y-Ba-Cu-O. В результате оригинальных исследований во ВНИИНМ созданы основы технологии изготовления одножильных и многожильных проводников с длиной единичного куска до 250 м на основе сверхпроводящих соединений висмутовой системы (Bi-2212 и Bi-2223).
    Одним из основных направлений деятельности института является создание и совершенствование промышленных технологий получения тугоплавких металлов – ванадия, ниобия, тантала и сплавов на их основе для термоядерной энергетики, сверхпроводящих устройств и нужд электронной промышленности. В рамках российской части программы ИТЭР проведены исследования малоактивируемого ванадий-титано-хромового сплава повышенной чистоты. Освоен промышленный выпуск металлического ванадия марки ВнМ-000-1 в АО «Уралредмет». Разработана технологическая схема переработки высокочистых слитков ванадиевого сплава и получены первые листовые полуфабрикаты, обеспечившие возможность проведения комплекса испытаний до и после облучения в реакторе БН-600.
    Ниобий в атомной отрасли используется для легирования циркониевых сплавов, а также для получения сверхпроводящих изделий. В настоящее время разработаны технологии получения особо чистого ниобия сорта RRR >300, используемого в сверхпроводящих высокочастотных резонаторах, для которых в институте выплавлено более 5 тонн слитков.
    Тантал применяется в виде листа, фольги, прутков и проволоки для изготовления изделий с уникальным комплексом свойств по химической стойкости и жаропрочности, а также для изготовления компонентов сверхпроводников, получения жаропрочных сплавов и в виде порошков конденсаторного класса для электролитических конденсаторов. Во ВНИИНМ организовано серийное производство листа и фольги, а также разработана технология получения высококачественных слитков тантала методом кальций-алюмотермического восстановления оксида с последующей электронно-лучевой плавкой
    В последнее десятилетие в мире резко возрос интерес к наноматериалам, названным в России ультрадисперсными. Это связано с появлением новых свойств при уменьшении размера кристаллитов. С использованием этих материалов начали развиваться нанотехнологии.
    Из-за большой поверхности кристаллитов ультрадисперсные материалы обладают высокой химической активностью, смачиваемостью, сорбционной способностью, лучшим спеканием и т.д., что позволяет создавать новые металломатричные композиционные материалы, интерметаллиды с более высокой прочностью, пластичностью и износостойкостью.
    Во ВНИИНМ созданы технологии получения высокопористого нанобериллия (плотностью менее 0,1 г/см), наноалюминия (пористость 80 %), обладающих высокой прочностью. Разрабатывается технология производства пористого бериллия для бланкета термоядерных реакторов из обычных бериллиевых порошков со связкой (2 – 7 масс. %) нанобериллия, что позволит изготавливать детали с высокой точностью при 250^оС (вместо 1000^оС). С использованием наноалюминия получены уникальные детали с полностью открытой пористостью и высокой прочностью.
    Применение порошков тантала с нанокристаллической структурой дало скачок в технологии получения высокоемких конденсаторных порошков с зарядом от 20 до 100 тыс. мкКл/г. Использование наноматериалов поможет решить ряд серьезных материаловедческих проблем, касающихся топлива для реакторов, ВТСП, высокопрочных конструкционных материалов.
    Разработка высокоэлектропроводных высокопрочных материалов, усовершенствование их конструкции и методов изготовления определяет прогресс в создании сверхвысокопольных магнитных систем и электротехнических устройств различного назначения, работающих в предельно сложных условиях. Во ВНИИНМ успешно разрабатываются два типа этих материалов – провода круглого и прямоугольного поперечного сечения площадью до 25 мм² (микрокомпозиты), до 40 мм² (макрокомпозиты) и длиной единичного куска не менее 100 м. В макрокомпозиционных проводах «медь–нержавеющая сталь» достигнут предел прочности 900 – 1100 МПа и проводимость, составляющая 50 – 60 % проводимости высокочистой меди. Проведенные в институте исследования механизма аномального упрочнения нанокомпозиционных материалов позволили создать новый класс композиционных материалов – микрокомпозиты «медь–ниобий», в которых ультрадисперсное распределение компонентов нанометрического масштаба вызывает появление уникального сочетания свойств – высокой прочности (>1100 МПа) при сохранении высокой проводимости (>70 % от проводимости высокочистой меди). Достигнутый уровень свойств превосходит зарубежные аналоги.