На научной сессии Общего собрания Сибирского отделения РАН, прошедшего в новосибирском Академгородке, были представлены исследования, разработки и эксперименты сибирских ученых в области атомной энергетики, выполненные в интересах госкорпорации «Росатом», отмечающей в 2020 году 75-летие.
Кандидат физико-математических наук Дмитрий Иванович Сковородин (Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН) представил комплекс малоракурсной томографии, разработанный для Российского федерального ядерного центра — Всероссийского научно-исследовательского института технической физики им. академика Е. И. Забабахина (РФЯЦ — ВНИИТФ), — одного из ключевых предприятий ГК «Росатом». Ученый рассказал о назначении этого проекта и научных задачах, которые необходимо было решить для его выполнения.
С помощью комплекса, основанного на мощном ускорителе релятивистских пучков электронов, получают важнейшую трехмерную экспериментальную информацию о быстропротекающих процессах — она является основополагающей в области обеспечения безопасности ядерного арсенала страны.
В условиях запрета натурных испытаний необходимая информация по совершенствованию качества боеприпасов получается на основе лабораторных данных и математического моделирования. Трехмерные расчеты работы ядерного заряда сочетают с внеядерными экспериментами на макетах. Комплекс малоракурсной томографии позволяет получать необходимую 3D-информацию, причем под разными углами зрения — с девяти ракурсов. Для этого ускоритель разгоняет пучок электронов до нужной энергии (десятки миллионов электронвольт), затем отклоняющие магниты делят его на отдельные потоки и направляют по транспортным каналам к мишени. При взаимодействии с материалами мишени — чаще всего используют металлы с высоким атомным номером, например тантал или вольфрам, — происходит выброс гамма-квантов, которые «подсвечивают» исследуемый объект. Далее информация попадает на станции регистрации, их девять — своя для каждого транспортного канала, и выводится на монитор. «Всё, что касается генерации и регистрации излучения — это зона ответственности Сибирского отделения», — отметил Дмитрий Сковородин.
В мире существует несколько комплексов с подобными характеристиками, все они основаны на линейных индукционных ускорителях электронов: такие установки есть в Соединенных Штатах, Франции и КНР. «Типичные параметры этих комплексов — это высокий ток и энергия пучка электронов, — пояснил Дмитрий Сковородин. — Отдельной задачей является получение нескольких кадров, позволяющих анализировать динамику изображений объекта во времени, а также получение трехмерной информации». В США, например, для этой цели в пустыне Невада были сооружены два огромных ускорителя, расположенные под углом 90о друг к другу, что позволяет с двух ракурсов наблюдать исследуемый объект.
Ключевым отличием российского проекта от существующих аналогов является получение изображения с нескольких ракурсов. Строительство девяти ускорителей, конечно, экономически нецелесообразно. Для использования одного разделенного пучка нужно, чтобы он обладал уникальными свойствами. «Мы должны сразу сформировать пучок с прецизионным качеством. Для решения этой задачи в последние годы проводились фундаментальные и прикладные исследования в области физики ускорителей заряженных частиц и физики плазмы».
Институт сильноточной электроники СО РАН (Томск) создает мощные наносекундные генераторы электрических импульсов, электронных пучков и излучений для исследовательских организаций «Росатома». Об этом рассказал директор института академик Николай Александрович Ратахин. В частности, ученые работают над проектом мультимегаамперной многоцелевой материаловедческой электрофизической LTD-установки.
Технология LTD-1000 бурно развивается во многих странах, однако встал вопрос о разработке новой элементной базы для LTD-ступеней отечественного производства. «В какой-то момент нам перестали поставлять конденсаторы. Кроме того, есть интерес сделать установки более компактными. Мы поняли, что если сами можем разрабатывать практически всю элементную базу, включая разрядники, делать ее компактнее и лучше, то, скорее всего, и топологическую сборку большого генератора возможно усовершенствовать, — отметил Николай Ратахин. — По инициативе ВНИИЭФ (Челябинск) была собрана команда, включающая нас и Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ). Нам было поручено создать ступень модуля с определенными параметрами для мультимегаамперной многоцелевой материаловедческой электрофизической LTD-установки. В текущем году мы эту работу заканчиваем, сейчас идут испытания. Дальше готов договор на последующее создание модулей (всего их будет двенадцать с тринадцатью LTD-ступенями в каждом). Заявленные параметры — 2,5 МДж, 10 МА — мы рассчитываем получить в течение четырех лет. По сути, таких модулей на LTD-технологиях нет нигде в мире».
Другое направление — источники импульсов мягкого рентгеновского излучения на основе X-пинчей. В ИСЭ СО РАН был проведен поиск конструктивных решений, позволяющих сделать установки для Х-пинчей более компактными. В результате удалось разработать низкоиндуктивные генераторы с амплитудой тока до 150—300 кА и фронтом его нарастания 100—300 нс, которые можно было бы транспортировать в любую лабораторию мира. В 2012 году ученые создали генератор тока «СЛОН», который был поставлен в лабораторию ТРИНИТИ для проведения экспериментов на установке «Ангара-5». Специально для этого проекта были разработаны технологии подвода тока генератора через воздух в вакуумную камеру исследовательской установки, что существенно расширяло возможности использования таких генераторов.
Кроме того, в ИСЭ СО РАН был проведен цикл исследований, результаты которого показали, что проволочный Х-пинч может быть заменен плазменной струей. Такая плазменная нагрузка получила название Point Z-pinch. Система на основе Point Z-pinch стала многоразовой (в отличие от предшественников) и выдерживала 20—30 выстрелов без вскрытия вакуумной камеры. Практическое применение Point Z-pinch ученые реализовали осенью 2018 года в проекте по созданию рентгеновского радиографа для ИЯФ СО РАН. Для исследования физиологических процессов, происходящих в теле мелких организмов, без уничтожения самого объекта исследования, в ИСЭ СО РАН в рамках договора с ТРИНИТИ созданы три генератора тока с нагрузкой в виде Х-пинча и с полностью автоматизированной системой управления.
Помимо этого, сотрудники ИСЭ СО РАН занимаются проектированием и изготовлением различных источников магнитного поля (соленоидов) для создания мощных релятивистских СВЧ-генераторов, а также систем питания большой мощности для питания соленоидов. Так, в институте решают задачи плазменной СВЧ-электроники. Один из способов создания столбов плазмы в плазменных СВЧ-генераторах основан на использовании термоэлектронного катода. При таком подходе имеется проблема деформации разогретого катода силами магнитного поля, создаваемого током накала. Она ухудшает однородность электронного пучка и создаваемого плазменного канала, накладывает ограничение на продолжительность непрерывной работы и срок службы всей системы. Ученые предложили альтернативное решение — использование плазменного источника электронов вместо термокатода. Сотрудники ИСЭ СО РАН создали экспериментальный стенд, позволяющий проводить эксперименты по созданию газоразрядной плазмы в импульсном магнитном поле величиной до 1 Тл.
Член-корреспондент РАН Николай Алексеевич Прибатурин (Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН) отметил, что в настоящее время перспективы развития атомной энергетики определяются решением проблем детерминированной безопасности, утилизации отработанного ядерного топлива и международной конкурентоспособности.
«Новое направление в российской атомной энергетике прописано в проекте “Прорыв”, — напомнил Николай Прибатурин. — В его рамках предусмотрено сооружение опытно-демонстрационного энергоблока с реактором на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем, реализация технологий замкнутого ядерного топливного цикла, создание новых видов топлив и материалов».
Н. Прибатурин рассказал о ряде работ ИТ СО РАН, выполненных совместно с организациями «Росатома». В числе направлений сотрудничества — развитие теплофизических основ безопасной атомной энергетики, обоснование проектных решений, валидация расчетных кодов, фундаментальные исследования для безопасных технологий работы с современными теплоносителями реакторных установок, разработка методик контроля и диагностики параметров теплоносителей, моделирование теплофизических процессов в различных узлах реакторов, а также изучение свойств новых материалов для атомной энергетики. «Сейчас ИТ имеет контакты со всеми главными конструкторами в этой области», — подчеркнул Николай Прибатурин.
Он подробно остановился на некоторых результатах, полученных в ИТ СО РАН. Так, теплофизики в ходе экспериментов получили и систематизировали данные по термическим и переносным свойствам расплавов натрий — свинец и калий — свинец. Эта информация послужит базой для оптимизации использования этих веществ в качестве теплоносителей для ядерных энергетических установок нового поколения. Кроме того, исследователи уточнили коэффициенты теплопроводности и температуропроводности жидкого Pb, сформировав соответствующие справочные таблицы. «Немало усилий мы предприняли для исследования такого явления, как конденсационный гидроудар, — отметил Николай Прибатурин. — В итоге на основе модельных экспериментов нам удалось разработать физическую и расчетную модели его возникновения, проанализировать, где и при каких условиях он формируется в реакторной установке».
Что касается проекта «Прорыв», то в его интересах сибирские теплофизики создали уникальные, хорошо оснащенные стенды для экспериментального моделирования теплогидравлики тяжелого жидкометаллического носителя, провели ряд работ, связанных с исследованиями и моделированием различных процессов в перспективном реакторе «БРЕСТ-ОД-300». Кроме того, ученые ИТ СО РАН совместно с сотрудниками Новосибирского филиала Института проблем безопасного развития атомной энергетики РАН разработали расчетные коды для обоснования безопасности реакторных установок со свинцовым и натриевым теплоносителем с учетом выхода продуктов деления в реакторное отделение. По словам Николая Прибатурина, всё, что связано с кодами, которые рассчитывают множество параметров, включая мощность реактора, температуру и давление в потоке теплоносителя, его фазовый состав и так далее, — очень важный элемент работы ученых.
Говоря о перспективах дальнейшего сотрудничества с организациями «Росатома», Н. Прибатурин назвал в их числе экспериментальные работы по решению фундаментальных и прикладных задач с использованием стендов ИТ СО РАН, развитие систем диагностики течения, тепло- и массообмена в элементах энергетических установок, численное моделирование тепловых процессов в отдельных частях таких установок, а также исследования термодинамических и переносных свойств перспективных теплоносителей для атомной энергетики.
Заведующий лабораторией методов синхротронного излучения Института химии твердого тела и механохимии СО РАН доктор химических наук Борис Петрович Толочко рассказал о двадцатилетнем опыте проведения совместных с РФЯЦ — ВНИИТФ экспериментов на пучках синхротронного излучения ВЭПП-3/ВЭПП-4.
По словам специалиста, изначально сибирские ученые проводили работы по исследованию детонации с использованием взрывчатого вещества небольшой массы, что не обладало серьезным научным потенциалом. Для изучения быстропротекающих процессов, интересующих «Росатом», перед институтами стояла задача создания новых установок и методов работы, с чем они успешно справились. «Нами были получены адекватные скоростные рентгеновские методы и аппаратура: создан интенсивный источник синхротронного излучения на базе ВЭПП-4 и 7-полюсного вигглера, быстрый позиционно-чувствительный детектор DIMEX, экспериментальная станция “Экстремальные состояния вещества”, рассчитанная на среднюю энергию 50 кэВ, с встроенной взрывной камерой», — рассказал Борис Толочко.
На сегодняшний день коллектив ученых уже провел не менее 1 500 экспериментов, что является рекордным параметром для институтов, занимающихся исследованием детонации. Работы проводятся не с обычным зарядом, а со сложной системой, оптимизированной по многим параметрам, и полученные уникальные данные применяются при конструировании специальных изделий. Кроме того, специалисты ввели в научный оборот новые методики для исследования детонации. Осесимметричная томография позволила при помощи использования синхротронного излучения определить распределение плотности продуктов детонации во время взрыва. Новые экспериментальные данные показали несовершенство численных расчетов по существующим моделям. В настоящее время экспериментальные данные, полученные в Новосибирске, активно используются инженерами при проектировании специальных изделий.
Еще одним достижением ученых является разработка метода малоуглового рентгеновского рассеяния синхротронного излучения с наносекундным временным разрешением, который применяется для исследования образования твердой фазы при детонации. Особенностью работы является использование заряда с максимальной массой взрывчатого вещества 200 граммов, поскольку до настоящего времени никто в мире не мог изучить на пучках синхротронного излучения заряды такой мощности. Специалисты обнаружили, что с увеличением массы ВВ меняется кинетика образования твердой фазы при детонации. «Новый метод и полученные уникальные данные позволили РФЯЦ — ВНИИТФ модернизировать коды расчета параметров детонации и учитывать процесс конденсации твердой нанофазы во время детонации используемых детонирующих систем», — добавил Борис Петрович.
Использовав синхротронное излучение для исследования зарождения и роста размера твердых продуктов детонации, в частности алмазов, ученые впервые в мире установили, что скорость их образования нелинейно растет с увеличением массы взрывчатых веществ. Также впервые специалисты получили уникальную картину движения встречных ударных волн и корректные данные движения пылевого облака.
«Все работы были проведены совместно коллективами нескольких институтов. Мы делали всё для того, чтобы достичь лучших результатов в мире, и у нас это получилось. Следующий этап работы будет проводиться уже на ЦКП СКИФ, где планируется создать установку с взрывной камерой, рассчитанной на изучение детонации заряда с массой ВВ до двух килограммов», — отметил Борис Толочко.
О разработке промышленной технологии получения флороглюцина рассказал директор Института проблем химико-энергетических технологий СО РАН (Бийск) член-корреспондент РАН Сергей Викторович Сысолятин.
Флороглюцин — это многоатомный фенол, который используется в самых различных направлениях химии. Его производство было налажено еще в СССР, тогда он применялся для цветной фотографии. Сейчас это вещество используется с целью получения химических красителей. «Росатому» флороглюцин интересен как исходное вещество для получения триаминобензола, тринитробензола.
Совместно с Бийским олеумным заводом, РФЯЦ — ВНИИТФ, Институтом органического синтеза им. И. Я. Постовского Уральского отделения РАН и Новосибирским институтом органической химии им. Н. Н. Ворожцова СО РАН ученые разработали и внедрили в промышленное производство технологию получения флороглюцина.
«У этого вещества много различных способов синтеза. Большая часть — многостадийные и очень токсичные. В советское время флороглюцин извлекали из тринитротолуола, триаминотринитробензола. Образовывалось огромное количество отходов хрома и хлористого железа, — прокомментировал Сергей Сысолятин. — Мы работали над методом получения исходных соединений».
Специалистам удалось реализовать технологию добычи тринитробензола с очень высоким качеством. На Бийском олеумном заводе была разработана установка для создания партий тринитробензола высокого качества, с содержанием основного вещества не менее 99 %, а на основе лабораторных исследований выбрана оптимальная схема синтеза флороглюцина.
«В целом была выполнена работа, которая позволит, с одной стороны, обеспечить импортозамещение, а с другой — получать сырье для нашей химической промышленности», — подчеркнул Сергей Сысолятин.
Директор Конструкторско-технологического филиала Института гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН доктор физико-математических наук Александр Александрович Штерцер рассказал, как решаются проблемы материаловедения и пневмотранспорта в задачах измельчения облученных ТВС и транспортировки их элементов.
Ученый отметил, что наиболее распространенными и безопасными на данный момент являются ядерные реакторы на тепловых нейтронах (ВВЭР-1000 — водо-водяной энергетический реактор электрической мощностью 1 000 МВт). В качестве замедлителя и теплоносителя здесь используется обычная вода, находящаяся под давлением. В Беларуси в начале ноября 2020 года запущена в эксплуатацию АЭС с реактором ВВЭР-1200. Системы безопасности этого реактора доработаны с учетом аварии на станции Фукусима в Японии и позволяют значительно снизить вероятность выхода радиации при авариях за пределы герметичного реакторного отделения.
«Мы работаем в рамках замкнутого ядерного топливного цикла, когда отработанное ядерное топливо перерабатывают, чтобы его снова использовать. И уран, и плутоний можно снова пустить в работу», — отметил Александр Штерцер.
В рамках развития замкнутого ЯТЦ было запланировано строительство завода РТ-1 на ФГУП «ПО “Маяк”». В конце 1960-х годов к работам по созданию комплекса для предварительного измельчения отработавшей тепловыделяющей сборки (ОТВС) промышленных ядерных реакторов подключились и сотрудники Института гидродинамики СО АН СССР (ныне ИГиЛ СО РАН). Такой комплекс был необходим для дальнейшей химической переработки ОЯТ. Ученые предложили оригинальную схему измельчения путем рубки ОТВС с применением специального устройства, названного агрегатом резки. В настоящее время одной из актуальных задач его совершенствования является повышение срока службы ножевых вставок и деталей трибологических узлов блока резки (БР). Серьезной научной задачей стал выбор материалов для изготовления ножевых вставок и трущихся деталей блока резки. Для моделирования процессов износа ножевых вставок и направляющих в процессе работы БР ученые разработали установку «Ирис» и установку трения (УТ). Именно они позволили выявлять наиболее перспективные материалы.
«Мы определяем, какая сталь изнашивается меньше всего в сравнении со штатными материалами, которые сейчас применяются. Так, было показано, что сталь ДИ37ВИ в три и более раза превышает износостойкость стали 5ХНМ. Надеемся, что в перспективе, когда всё будет окончательно доказано, мы на нее перейдем», — рассказал Александр Штерцер.
Кроме того, существует проблема, что твердый сплав и сталь, когда работают в паре, изнашиваются в разное время, обычно быстрее это делает сталь, однако при высоких температурах — наоборот. Ученым предстоит решить задачу, сочетание какого твердого сплава с какой сталью подобрать так, чтобы износ был минимальным.
Также ИГиЛ СО РАН занимается проблемами растворителя и импульсного пневмотранспорта (ИПТ). В частности, ведется разработка специального оборудования: растворителя, пробоотборника, устройства регистрации переносимой массы твердых отходов. Осуществляется натурное моделирование двухфазных потоков в ИПТ, выбор технологических параметров работы системы (количество загружаемого продукта, давление, длительность импульса и т. д.). Решаются задачи по ликвидации в системе пробок и поиску путей снижения износа в системе. «Для решения этих проблем придуман новый реактор — кольцевой, периодический. У нас он испытан, но ждет применения в промышленности. На его конструкцию и на сам способ получен соответствующий патент, — сообщил ученый. — Также за последнее время было разработано и изготовлено устройство для отбора проб. Оно уже испытано на ФГУП «ПО “Маяк”», на него тоже есть патент». В импульсном пневмотранспорте разработан новый, более эффективный аппарат-растворитель, обладающий большим ресурсом, с устройством для отбора проб и режимом для ликвидации закупорок.
СО РАН и научно-исследовательские организации, находящиеся под его руководством, много лет взаимодействуют с государственной корпорацией по атомной энергии «Росатом». Это сотрудничество вносило и вносит значительный вклад в стратегию развития Отделения, научных и образовательных организаций Сибирского региона. Выполняемые проекты актуальны для социально-экономического развития Сибири и Российской Федерации и отвечают приоритетам Стратегии научно-технологического развития РФ. На Общем собрании было принято решение расширить это взаимовыгодное сотрудничество и утвердить научные советы по подготовке и выполнению совместных проектов с корпорацией «Росатом» с последующим обсуждением на заседании Президиума СО РАН.
«Наука в Сибири»
Фото Юлии Поздняковой
