Сохраняй посты, комментируй и ставь оценки
Посещение первого в мире полномасштабного ядерного реактора. Он никогда не производил электроэнергию, а только превращал уран в плутоний для Манхэттенского проекта.
ИТЭР - термоядерный реактор стоимостью 28 миллиардов долларов — во Франции наконец-то обзавелся последней магнитной катушкой, — как сообщают эксперты. Однако сам реактор заработает на полную мощность не раньше 2039 года. И вот чем обусловлено такое решение.
Крупнейший в мире термоядерный реактор достроили летом 2024 года. Правда, он не заработает еще 15 лет, — заявили ученые, работающие на международном экспериментальном проекте по строительству реактора типа токамак iter (ИТЭР). Первоначально планировалось, что первые полноценные испытания ИТЭР, — из 19 массивных катушек, соединенных в несколько тороидальных магнитов, — начнутся в 2020 году. Теперь же эксперты называют датой начала испытаний 2039 год.
«Конечно, задержка ИТЭР идет не в правильном направлении. Что касается влияния ядерного синтеза на проблемы, с которыми сейчас сталкивается человечество, — нам не следует ждать, пока ядерный синтез решит их. Это неразумно»
Пьетро Барабаски, генеральный директор проекта ИТЭР
Самый большой в мире термоядерный реактор является продуктом сотрудничества 35 стран, включая все государства Европейского Союза, Россию, Китай, Индию и США. ИТЭР содержит самый мощный в мире магнит: при этом впечатляющая конструкция реактора не обходится дешево.
Первоначально планировалось, что стоимость реактора составит около 5 миллиардов долларов и он будет запущен в 2020 году. Но, претерпев множество задержек, бюджет превысил 22 миллиарда долларов, а дополнительные 5 миллиардов долларов были предложены для покрытия дополнительных расходов. Эти непредвиденные траты и задержки стали причиной и нынешней 15-летней задержки.
Ученые пытались использовать силу ядерного синтеза — процесса горения звезд — уже более 70 лет.
Сливаясь, атомы водорода образуют гелий при чрезвычайно высоких давлениях и температурах, звезды главной последовательности (звезда в стабильной части своего жизненного цикла) преобразуют материю в свет и тепло, генерируя огромное количество энергии и не производя при этом парниковых газов или долговременных радиоактивных отходов. Но воспроизвести условия, обнаруженные в сердцах звезд, — непростая задача.
Самая распространенная конструкция термоядерных реакторов, — токамак, — работает за счет перегрева плазмы (одного из четырех состояний веществ, состоящего из положительных ионов и отрицательно заряженных свободных электронов) перед тем, как захватить ее внутри камеры реактора в форме пончика с мощными магнитными полями.
Проблема запуска реактора
Однако удержать турбулентные и перегретые спирали плазмы на месте достаточно долго, чтобы произошел ядерный синтез, непросто, — как сообщают западные специалисты.
Admin: В честь наступающего Нового года вручаем старожилам награду "5 лет на Пикабу". Награда выдается всем пользователям, зарегистрированным более 5 лет назад
Тот момент когда ты
Мы видим: очень распространённый Шотландский виски в 3х вариантах объёма 0.35л., 0.5л., 0.7л. И конечно разные цены на еденицу товара, один из них по акции, что и привлекло моё внимание.
Беру в руки и начинаю смотреть этикетки у всех предложенных вариантов, если лицевая можно сказать одинаковая, то тыльная разнится.
Решил более детально вчитаться, оказалось что 2 из 3х сделаны в России, а самая маленькая в Шотландии.
И именно на неё акция, по которой получается зарубежный алкоголь дешевле отечественного.
Ни на что не претендую, но занятно.
Проверяют изделие на прочность при гидроиспытаниях
Залог успеха этой ответственной операции — точная установка в подземный стенд-кессон — до десятых долей миллиметра и полная герметизация устройства
Прежде чем 320-тонный корпус наполнят водой, на 8 главных циркуляционных патрубках ДУ 850 устанавливают заглушки. С помощью мостового крана на глубину 13 метров опускают корпус реактора, устанавливают специальные шпильки в опорное кольцо внутри кессона и фиксируют ими крышку.
В общей сложности подготовка занимает порядка 10 дней.
Фото: АЭМ-технологии
Институт Лауэ-Ланжевена в Гренобле, Франция. 1994 год.
RHF использует тяжелую воду (D₂O) как замедлитель и теплоноситель, что обеспечивает эффективное замедление нейтронов до тепловых скоростей и высокую плотность нейтронного потока в активной зоне. Топливом служат высокообогащённые урановые сборки, хотя в последние годы в рамках международных инициатив по снижению использования высокообогащённого урана ведутся работы по переходу на низкообогащённое топливо без потери производительности. Конструкция реактора оптимизирована для стабильной и безопасной работы, а также для обеспечения длительных циклов эксплуатации — до 50 дней подряд без остановки.
Основное назначение RHF — генерация нейтронов для научных исследований в различных областях: физика конденсированного состояния, химия, биология, материаловедение, ядерная физика и медицинские исследования. Нейтроны, получаемые в реакторе, направляются через систему каналов к более чем сорока экспериментальным станциям, где они используются в методах нейтронной дифракции, спектроскопии, поляриметрии и визуализации. Благодаря характеристикам пучков нейтронов, учёные могут изучать атомную и магнитную структуру веществ, динамику атомов в материалах, поведение полимеров и белков, а также процессы в реальном времени.
Богатый внутренний мир ядерного реактора ВВЭР. Блеск металла и идеальная выверенность форм внутрикорпусных устройств.
Фото: АЭМ-технологии
Сотрудничество более 10 научно-исследовательских институтов и университетов по всему Китаю позволило добиться значительных успехов и приблизиться к реализации межпланетных путешествий, благодаря разработке технологии ядерного деления, которая могла бы обеспечить широкомасштабное исследование Марса .В статье, опубликованной журналом Scientia Sinica Technologica Китайской академии наук, исследовательская группа сообщила, что ее прототип системы ядерного реактора с литиевым охлаждением прошел некоторые первоначальные наземные испытания.
Результаты подтвердили некоторые ключевые технологические решения, изобретенные китайскими учеными и инженерами для уменьшения реактора мегаваттного класса – в семь раз более мощного, чем конкурирующая система, строящаяся NASA.
При полном развертывании в космосе реактор мощностью 1,5 мегаватт, включая его систему охлаждения, будет сопоставим с размерами 20-этажного здания. Но на земле он аккуратно складывается в объем размером с контейнер и весом менее восьми тонн.
Такая конструкция делает реакторную систему легкой для загрузки и запуска с помощью ракеты. По их словам, она сможет стабильно работать в суровых условиях космоса в длительное время.
Согласно документу, мощный источник энергии сделает возможным перемещение крупных кораблей туда и обратно как для пилотируемых, так и для грузовых космических полетов, открывая путь для крупномасштабного исследования Китаем Луны и Марса.
По оценкам некоторых ученых, космический корабль с ядерной установкой сможет совершить полет туда и обратно между Землей и Марсом всего за три месяца. Основная научная идея заключается в том, что эта технология будет иметь жизненно важное значение для межпланетных миссий.
Согласно некоторым расчетам, космическим кораблям, работающим на ископаемом топливе, таким как Starship, разрабатываемый американской компанией SpaceX, может потребоваться не менее семи месяцев, чтобы достичь Марса.
Ракета Starship занимает ведущую роль в планах NASA по высадке астронавтов на Луну, а также в надеждах генерального директора SpaceX Илона Маска на колонизацию Марса, но даже путешествие в один конец на Красную планету потребует огромной системы жизнеобеспечения.
Исследователи заявили, что китайский реактор будет генерировать температуру до 1276 градусов по Цельсию за счет деления уранового топлива, что намного превышает рабочую температуру коммерческих атомных электростанций.
Сильный жар превратит жидкие формы инертных элементов гелия и ксенона в газы, приводя в движение генератор. Цепная реакция производит быстрые нейтроны, которые обеспечат эффективное и непрерывное энергоснабжение в течение как минимум 10 лет, говорится в документе.
Ученые заявили, что, используя жидкий литий, они смогут уменьшить размер реактора благодаря высокой теплопроводности и малому весу элемента.
Традиционно теплообменник и радиационная защита занимают значительное пространство в конструкциях реакторов, но создатели заявили, что разработали технологию, которая объединяет эти два компонента в один.
Согласно документу, теплообменник реактора изготовлен из вольфрамового сплава, что позволяет добиться эффективного теплообмена в контуре, блокируя при этом опасное излучение. Другие новые технологии включают материалы, устойчивые к высокотемпературной коррозии.
На этапе испытаний, источником тепла прототипа является внешний источник питания, и планируется добавить ядерные топливные сборки для достижения полной работоспособности на следующих этапах программы испытаний, говорят исследователи.
В настоящее время проведены эксплуатационные испытания интегрированной системы, включая циркуляцию контура с литиевым охлаждением, сопряженный теплообмен между первичным и вторичным контурами, а также систему производства электроэнергии по типу цикла Брайтона
Испытания обеспечили предварительную демонстрацию возможности соединения литиевой системы охлаждения с генератором Брайтона, разработанным в 19 веке как поршневой двигатель и широко используемым в космических полетах.
«Коррозионные испытания материалов из молибденовых сплавов также проводились в высокотемпературных средах», — сказали исследователи.
Ключевым направлением дальнейших исследований и разработок ученых станет безопасность ядерных реакторов во время запуска и эксплуатации с обязательным требованием отсутствия опасности ядерного загрязнения и взрыва, даже если реактор упадет обратно на Землю.
Команда проекта также планирует применить искусственный интеллект для долгосрочной беспилотной эксплуатации космических реакторов, используя технологию для автоматической диагностики и устранения любых неисправностей.
Китай готовится к запуску первого в мире мегаваттного прототипа ядерного реактора нового типа, способного не только вырабатывать энергию, но и перерабатывать долгоживущие радиоактивные отходы в менее опасные изотопы. Установка под названием China Initiative Accelerator Driven System (CiADS) должна заработать в провинции Гуандун на юге страны уже в следующем году.
Речь идёт о так называемых системах Accelerator-Driven Subcritical Systems (ADS). Это продвинутый тип ядерных реакторов, которые совмещают две функции – генерацию энергии и трансмутацию долгоживущих радиоактивных отходов. Проще говоря, вместо того чтобы хранить опасные отходы десятки тысяч лет, такой реактор превращает их в короткоживущие и значительно менее вредные изотопы.
Систему разработали учёные Китайской академии наук (CAS) совместно с государственными ядерными предприятиями. Хэ Юань, заместитель директора Института современной физики при CAS, назвал технологию "международно признанным идеальным подходом к воспроизводству ядерного топлива и переработке ядерных отходов".
По данным издания Science and Technology Daily, технология способна превратить ядерную энергетику в "зелёный, безопасный и стабильный источник энергии на 1000 лет".
Ключевой элемент системы – сверхпроводящие ускорители частиц, установку которых планируют завершить в этом году. Именно ускорители обеспечивают работу подкритического реактора, поддерживая цепную реакцию извне, что делает систему принципиально более безопасной – при отключении ускорителя реакция останавливается сама.
Основная проблема традиционных ядерных реакторов заключается в отработанном топливе. Хотя значительная часть отходов распадается относительно быстро, существенную долю составляют долгоживущие актиниды – элементы, остающиеся опасными десятки и даже сотни тысяч лет. ADS-реакторы решают эту проблему, преобразуя актиниды в менее опасные вещества прямо в процессе работы.
Несмотря на перспективность подхода, ни одной коммерческой ADS-установки в мире пока не существует. На данный момент в разработке находятся только экспериментальные системы, и китайский прототип станет первым действующим образцом мегаваттного класса.
Белоярская АЭС — единственная в мире промышленная атомная электростанция с реакторами на быстрых нейтронах и, соответственно, жидкометаллическим теплоносителем. Такие АЭС разрабатывали во многих странах с конца 1950-х, но, кроме СССР и позднее России, они нигде надолго в эксплуатации не остались (за исключением исследовательских установок). Реакторы на быстрых нейтронах — один из примеров технологий в атомной энергетике, которые испытывали ранее, но оставили без существенного развития из-за низких экономических показателей. Их очень дорого строить. Новые материалы способны спровоцировать ренессанс подобных пока что экзотических схем
Перспективные проекты атомных электростанций в принципе невозможны без разработки новых материалов. Например, сверхкритические водяные реакторы (как ВВЭР-СКД) — в них роль теплоносителя играет вода в сверхкритическом состоянии. То есть ее давление превышает 22,1 мегапаскаля. Это выгодно, потому что позволяет повысить эффективность всей АЭС примерно до 45 процентов против 30-33 у реакторов нынешнего поколения. Сверхкритическую жидкость можно разогреть до более высоких температур, а любая тепловая машина работает тем эффективнее, чем больше разница температур между ее горячей и холодной частями.
Сверхкритическую воду в качестве теплоносителя давно используют в газовых тепловых электростанциях. Это сравнительно отработанная технология. Для атомной энергетики же это не просто новинка, а изменение, требующее пересмотра всей «начинки» АЭС. Да, конструкция реакторов станет проще, следовательно — дешевле и быстрее в изготовлении. Но есть большие проблемы.
Сверхкритическая вода по-другому замедляет нейтроны, может вызывать коррозию там, где обычная вода практически инертна, а также рискует начать разлагаться на кислород и водород под действием ионизирующего излучения в определенных условиях. Иными словами, перспективы огромные, но и вызов непростой.
В сверхкритических реакторах такое высокое давление внутри активной зоны, что при определенных спектрах им не подходят обычные топливные таблетки. Диоксид урана со всеми имеющимися вариантами покрытий просто не работал так, как требовалось физикам. Возможные материалы — кандидаты топлива тоже не подходили.
Наши специалисты долго думали над этой проблемой и пришли к альтернативному решению. Отказавшись от стандартных таблеток внутрь твэла с топливной композицией добавили компенсатор давления. Таким образом внешнее давление компенсировалось топливом, а избыточное распухание топлива забирал на себя компенсатор. Разумеется важны детали: были рассчитаны форма, толщина, подобран правильный материал компенсатора. Наглядная иллюстрация прикладного подхода: если какую-то задачу не получается решить имеющимися или перспективными средствами, имеет смысл объединить усилия ученых разных специальностей и конструкторов.
Не металлами едиными
В примерах выше почти всегда упоминались металлы либо их оксиды. Но это не единственные материалы, которыми занимаются материаловеды атомной отрасли. Естественно, есть еще керамики, пластики, бетоны и многое другое. Большая часть ресурсов уходит на разработку этих типов материалов.
Внимательный читатель уже, наверное, заметил, что не хватает целого спектра различных материалов, которые часто упоминаются в контексте высокотехнологичных отраслей. Да, мы о мета-, нано- и прочих приставках, а также об аддитивных технологиях.
Это не приоритетные направления, но по ним тоже ведут работу. Большие перспективы видны в печати металлическими порошками. У подразделений «Росатома» есть наработки по печати крупных деталей, вплоть до целой выгородки реактора — внутренних структур активной зоны, которые окружают тепловыделяющие элементы. Тем не менее есть большая проблема со специалистами в области экзотических материалов. Их огромный дефицит. Можно сказать, что экзотика в области материаловедения для атомной энергетики — крайне выгодное направление для выбора нынешними студентами.
Довольно часто это невероятно интересные и «красивые» технологии, уникальные люди, которые создают материалы с нестандартными сочетаниями свойств. Но нам не хватает людей. Причем речь идет не о специалистах в единственном числе, а о командах. Все наши разработки — это долгие проекты, за редким исключением. И мы должны гарантировать выход материала в промышленном масштабе к определенному сроку готовности изделия. В чем риски? Вот мы взяли сотрудника, он перспективный, занимается уникальной и очень многообещающей экзотикой. Но что делать, когда он заболеет? Женится? Поменяет приоритеты в жизни? Немного цинично, но это прагматизм прикладной науки.
Именно поэтому особо ценятся команды специалистов, научные школы, устойчивые кооперации. Да, договориться порой непросто: научные споры — зрелище не для слабонервных. Но и результат учитывает мнение не одного гения, а еще опыт эксплуатации прежних разработок и так далее. Для проверки своих возможностей у нас есть программа аванпроектов — сравнительно небольшое финансирование на перспективные идеи, которые мы поможем проверить с помощью своих ресурсов, главное — ответственно обосновать ожидаемые свойства материала.
В последние годы научная этика поменялась, и теперь в перечень работ по подготовке большого НИОКР принято включать не только аналитические обзоры, но небольшое исследование в обоснование разрабатываемой гипотезы. Все это помогает в реализации НИОКР и получении финансирования.
Какое будущее готовят уже сегодня
Материаловедение в атомной отрасли существует на стыке фундаментальных и практических дисциплин. Это одна из тех сфер человеческой деятельности, где всегда есть место чему-то новому, удивительному и при этом максимально связанному с реальностью, практикой.
Ближайшие десятилетия для ядерной энергетики обещают быть временем множества прорывов и революций, на нее возлагают большие надежды во всем мире. Назревает атомный ренессанс, и российские атомщики прямо сейчас воплощают в реальность проекты, которые наверняка будут востребованы уже завтра.
Особенно впечатляет, насколько сильна и важна кооперация в «атомном» материаловедении. Нет ни одного универсального предприятия или научной организации, слишком сложная дисциплина. За корпуса реакторов отвечает ПАО НПО «ЦНИИТМАШ», внутрикорпусные материалы делает и разрабатывает ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей» (Курчатовский институт) — список можно продолжать долго. При этом без постоянного тесного взаимодействия и обмена опытом успех невозможен.
Была у нас забавная история. Материаловеды в лаборатории, как оказалось, не совсем представляли возможности производства. Разработали кандидатный материал, изготовили образцы, подтвердили характеристики — и казалось бы, прямая дорога к масштабированию. Заказали изготовление промышленного полуфабриката на завод. Те посмотрели спецификацию, все сделали, как написано, отправили пробную партию обратно. В лаборатории смотрят, а свойства сильно различаются: чистота слишком высокая, нужных примесей нет. Звонят на завод: как так, куда подевали, всегда же были. Там им и отвечают: в спецификации же указали верхнюю планку, без нижней (обычно материаловеды уточняют, ведь есть привычный минимальный уровень), вот мы для вас выполнили заказ по высшему классу — оборудование позволяет. В итоге, с одной стороны, потратили время, с другой — подтвердили значимость примесей в определенной металлической матрице. Вывод: надо знать все нюансы технологии производства.
Это благодатная почва для развития не только самой атомной отрасли и молодых специалистов как ее части. Новые материалы, инженерные решения и сопутствующие открытия в фундаментальных науках двигают общий научно-технический прогресс в стране.
Помимо энергетики, разрабатываемые атомной отраслью материалы и решения применяют в точном машиностроении, медицине, электронике и космонавтике. Это мощнейший стимулятор роста и развития всех смежных областей экономики и промышленности.
Ученые китайской программы Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) встретили новый год значимым достижением – получили доказательства того, что реактор способен достичь плотности ядерной плазмы, ранее считавшейся недостижимой.
1 января исследователи из Хэфэйского института физических наук Китайской академии наук опубликовали работу в журнале Science Advances. Команда описала, как использовала EAST для достижения плотности плазмы, значительно превышающей предыдущие лимиты.
Термоядерный синтез представляет собой процесс соединения двух атомных ядер в одно более тяжелое, что высвобождает огромное количество энергии. Благодаря потенциалу производства неограниченной чистой энергии ученые по всему миру ищут способы использовать термоядерный синтез как жизнеспособный источник электроэнергии.
Трудность заключается в том, что все атомные ядра имеют положительный заряд и естественным образом отталкиваются друг от друга – как магниты с одинаковыми полюсами. Чтобы дать атомным ядрам достаточно кинетической энергии для объединения, ученые должны нагреть топливо до сверхплотной плазмы при температуре около 150 миллионов кельвинов, или 15 миллионов градусов по Цельсию.
Но для достижения точки, где реакция сможет поддерживать себя самостоятельно – устойчивый термоядерный синтез – требуется, чтобы эта плазма оставалась горячей, плотной и стабильной в течение длительного времени. Годами считалось, что более высокая плотность плазмы неизбежно приведет к нестабильности, разрушая топливо до его воспламенения – порог, известный как предел Гринвальда.
Новое исследование переворачивает эти представления. Метод команды EAST заключается в создании среды высокого давления газа в реакторе до формирования плазмы, что позволяет ей взаимодействовать со стенками реактора гораздо менее разрушительным способом. Ученые также вручную закачивают дополнительную энергию в плазму по мере её нагревания, обеспечивая равномерный рост плотности.
Результат – плазма остается стабильной даже при росте внутренней плотности, достигая показателей топлива, значительно превышающих ожидаемые пределы.
Пин Чжу – соавтор исследования и физик-плазмы из Научно-технологического университета Хуачжун заявил:
Результаты предлагают практичный и масштабируемый путь расширения пределов плотности в токамаках и термоядерных реакторах следующего поколения.
Хотя до практического производства энергии с помощью термоядерного синтеза еще предстоит совершить множество прорывов, преодоление предела Гринвальда представляет один из таких шагов.
Инженеры помещают замедлитель между столбиками топлива и повышают эффективность цепной реакции. Для реакторов, в которых теплоносителем выступает вода, она же служит замедлителем нейтронов.
Ну а захват «лишнего» нейтрона атомным ядром приводит к его превращению в изотоп. Например, уран-238 становится ураном-239. Поскольку в новом ядре соотношение протонов и нейтронов становится иным, его стабильность почти всегда существенно ниже, чем у изначального атома. В зависимости от того, какое топливо используется в реакторе, захват нейтрона может быть как полезным явлением, так и вредным. Комбинируя замедлители и отражатели нейтронов, активную зону конфигурируют так, чтобы в ней преобладали нейтроны нужных энергий.
Кроме ядерных реакций деления, в атомных реакторах постоянно идут процессы распада. Фактически почти все, что находится в топливных таблетках, радиоактивно: само топливо, продукты распада, ионизированные и подвергшиеся нейтронной бомбардировке материалы связующего для топлива. Это приводит к постоянному потоку альфа- и бета-частиц, гамма-квантов, а в особо редких случаях — непосредственно осколков деления.
Подытоживая все происходящее в реакторе, стоит выделить наиболее критические факторы, определяющие выбор материалов для его конструкции:
При этом воздействие ионизирующего излучения на различные материалы вполне понятно и предсказуемо. А с высокими температурой и давлением инженеры научились работать уже давно — задолго до появления АЭС. Хотя некоторые прорывы возможны и в этой области, она неспецифична для атомной отрасли.
Нейтронное излучение — другое дело. Его эффекты в большой степени хаотичны и порой кажущаяся незначительной корректировка технологий обработки материала или его химического состава радикально изменяет его поведение в реакторе. Поэтому основной фокус внимания ученых-материаловедов «Росатома» и смежных организаций направлен на изучение взаимодействия нейтронного потока с различными материалами или их комбинациями.
Как разрабатывают новые материалы для атомной отрасли
Материаловедение — прикладная дисциплина, решающая в первую очередь практические задачи. Есть конструкция или отдельная деталь, для которых имеющиеся материалы неоптимальны — ищем способы их улучшить или создать новые. В общих чертах это и есть основной принцип разработки новых материалов во всех отраслях. Атомная энергетика здесь не исключение.
Но прежде всего важно определиться с терминологией. Дело в том, что для материаловеда само слово «материал» означает гораздо более узкое понятие, чем мы привыкли в быту.
Материал — это не просто дерево, металл, керамика, стекло или бетон. Конкретная сталь со строго определенным химическим составом, отлитая и закаленная — это один материал. Если она же кованая — уже другой. Или она закаленная, отпущенная при разных температурах — и ее свойства будут отличаться в широких пределах.
Для материаловеда важна биография образца: как и где добыли сырье для его изготовления, какие процедуры подготовки оно проходило, что именно с ним делали в процессе обработки. какие свойства приобрел этот материал в результате всех манипуляций с ним.
Выше, на видео симуляция каскада столкновений, вызванного попаданием тяжелого иона (трииодид бора) в металл (железо). Нейтронное излучение приводит к аналогичным эффектам, лишь вероятность взаимодействия отличается. Единичная частица, попадая в материал, вызывает смещение не только того атома, с которым сталкивается, но и всех его соседей. Им передается часть кинетической энергии, причем ее количество гораздо больше, чем при теплопереносе. В результате выбитыми со своих мест в кристаллической решетке могут оказаться не только атомы на поверхности, но и глубоко внутри материала. Так образуются полости, смещения фаз кристаллической решетки и даже микротрещины
Контроль и надзор в сфере ядерной безопасности, а соответственно, одобрение использования тех или иных материалов в ядерных установках осуществляет Ростехнадзор. Для конструктора оборудования АЭС существует объемный «справочник всех материалов», в котором содержится список всего, что прошло аттестационные испытания под определенные условия эксплуатации. Каждая строчка в этом документе — отдельный материал, который инженеры-конструкторы могут использовать в допустимых пределах.
Вне зависимости от того, насколько революционным и по всем расчетам безопасным получится проектируемое изделие, если в нем хоть где-то используют неаттестованные материалы, контролирующий орган такое строительство никогда не одобрит. Именно поэтому все новые материалы нужно тщательно испытывать и проверять на соответствие требованиям, установленным в стандартах и конструкторской документации.
В общих чертах идеализированный процесс разработки нового материала выглядит следующим образом. Сначала на этапе подготовки проекта, если выясняется, что существующих материалов недостаточно, ставится задача создать новые. Расчетными методами, моделированием подбирают список материалов-кандидатов, которые проходят первичную проверку в лабораторных условиях. Так тестируют их коррозийную устойчивость, механические и химические свойства. Одновременно проверяют возможность производства этих материалов на оборудовании, имеющемся в распоряжении самого предприятия или у его подрядчиков.
Образцы, которые подтвердили свои свойства во время первичных анализов, отправляют на облучение. Раньше приходилось загружать образцы в исследовательский реактор на несколько лет — только так можно оценить реальный эффект воздействия нейтронного потока. Он выражается в СНА, смещениях на атом кристаллической решетки, — единице дозы облучения, позволяющей сравнивать уровень повреждений в реакторах с различным нейтронным спектром и при облучении различными частицами.
Выше на картинке просвечивающая электронная микроскопия образца из титана, который подвергся жесткому нейтронному облучению. Белые многогранники — пустоты, возникшие в результате выбивания атомов с их мест в кристаллической решетке нейтронами. Темные продолговатые области — полосы осажденных титана, рения и осмия. Последние два элемента — результат трансмутации титана при захвате нейтрона. Исследование воздействия нейтронного потока на материалы критически важно не только для атомной энергетики, но и для термоядерной
Сейчас реактор используют только для финальных испытаний. На первых этапах отсева материалов-кандидатов можно применять ионный ускоритель. Его воздействие на образцы с практической точки зрения идентично нейтронному излучению. Так, пороговые дозы СНА набираются за считаные дни.
Помимо экономии времени, ускоритель делает разработку радиационно стойких материалов несравнимо дешевле — реакторное время очень дорого. Вдобавок после облучения материалы не нужно оставлять в бассейне выдержки еще на год, чтобы они потеряли наведенную радиоактивность.
После облучения материалы-кандидаты снова всесторонне изучают, их характеристики проходят тщательную проверку. И почти наверняка цикл повторяется, потому что ничего не подошло под целевые параметры. Иногда цикл выполняется несколько раз.
В итоге через несколько лет (ранее — спустя десятилетия) кропотливой работы получаются образцы новых материалов с заданными свойствами. Скорее всего, отработано даже их промышленное производство малыми партиями. Остаются только сертификационные испытания в реакторе, после которых контролирующие органы смогут выпустить заключение о допуске материала к использованию в определенных условиях. На все про все — не менее 10-12 лет с начала разработки до получения аттестации материалом.
Последние несколько лет на помощь материаловедам пришли цифровые технологии, в том числе искусственный интеллект. Алгоритмы машинного обучения, основанные на механизмах деградации и базах данных свойств известных материалов, значительно экономят время, проводя первичное отсеивание материалов-кандидатов или решая «обратную» задачу: подбирая состав и структуру материала под заданные условия эксплуатации по целевым характеристикам. Единственное, с чем ИИ пока справляется плохо, — способы обработки, но и этот недочет скоро будет исправлен: ученые и программисты «Росатома» работают в этом направлении.
Почему нельзя стоять на месте
Атомная энергетика — постоянная технологическая гонка. И разработка материалов для нее выступает лишним подтверждением этого тезиса. Учитывая длительность цикла разработки, сейчас внедряют то, что начинало создаваться три-четыре декады назад, а прошло аттестационные испытания 10-20 лет назад. Проще говоря, работа над сегодняшними проектами обеспечивает технологическое превосходство в 2040-2050-х годах. И любая заминка потенциально приводит к высокому риску отстать от темпа конкурентов на этих отдаленных рубежах планирования.
Благодаря этому непрерывному процессу развития отрасли не существует ни одной полностью идентичной АЭС. Каждый следующий проект в чем-то лучше предыдущего, даже если они принадлежат к одной серии. Иногда события в мире приводят к завышенным требованиям потенциальных потребителей, появляются новые уровни защиты, которые на следующем этапе отсекаются по экономическим соображениям. Это ни хорошо, ни плохо — просто особенность, нормальный ход событий.
Второй важнейший стимул развития материаловедения в ядерной энергетике — экономика. Атомные электростанции наконец-то снова становятся не единичными проектами, а практически серийными изделиями. Кроме них, в обозримом будущем заменить угольные и газовые электростанции базовой нагрузки нечем. Никакие ветряки и солнечные панели эту роль в энергосистеме занять не смогут, даже если им на помощь придут сверхъемкие накопители энергии.
Это означает, что стоимость выработанного АЭС киловатт-часа электроэнергии становится не просто существенным фактором оценки всего ее проекта, а критически важным. Она, в свою очередь, зависит от целого спектра параметров, часть из которых способны удешевить новые материалы. Снижение стоимости, габаритов или сроков изготовления любых деталей, агрегатов и узлов в масштабах столь колоссальных объектов, как АЭС, оборачивается экономией в миллионы или даже миллиарды.
Наверное, самый простой ответить на вопрос «Зачем разрабатывать для АЭС новые материалы?» — потому что АЭС со старыми материалами никто не купит. По совокупности причин, из которых экономика будет решающей. Даже несмотря на затраты НИОКР, современные станции экономически эффективнее старых — либо по срокам строительства, либо по стоимости эксплуатации.
Не стоит забывать и о психологическом факторе. Атомная энергетика, пожалуй, вызывает самую напряженную дискуссию в поле общественного мнения. Поэтому, если какая-то инновация не приносит заметного повышения экономических характеристик АЭС, но повышает ее безопасность в каких-либо даже самых маловероятных сценариях, ее имеет смысл реализовать.
В России разработку новых материалов и технологий ведут в рамках комплексной программы развития атомной науки, техники и технологий — КП РТТН. Мы создаем не только новые материалы для перспективных энергосистем, но и опытные целевые изделия, которые тоже проходят испытания. В результате на выходе мы получаем и технологию, и материал, готовые к промышленному внедрению, причем не только в атомной энергетике, но и авиации, машиностроении и других смежных отраслях.
Из последних разработок могу привести в пример технологию изготовления новых марок стали с повышенными прочностными свойствами, в том числе для атомных энергетических установок малой мощности. Тем самым мы решаем задачу уменьшения массогабаритных характеристик оборудования вокруг реакторной установки и получаем существенный выигрыш в массе — этот параметр весьма критичен для атомных станций малой мощности. В этом году как раз проходят аттестационные испытания по всему комплексу свойств новой стали.
Человечество хотело добыть и обуздать ядерную энергию — фундаментальные науки обеспечили для этого теоретическую базу. Потребовалось реализовать теорию «в железе» — это сделали с помощью прикладных дисциплин: инженерного дела и материаловедения. Рассказываем, с какими практическими трудностями сталкиваются инженеры, проектирующие реакторы, почему в атомной отрасли приходится постоянно создавать новые материалы и как современные студенты могут стать баснословно успешными, всего лишь выбрав правильное направление обучения в области экзотического материаловедения.
Пожалуй, в любом рассказе об атомной энергетике автор сразу упомянет количество энергии, которое высвобождается при делении ядра атома. Например, распад килограмма урана-235, самого распространенного топлива в энергетических реакторах, в среднем приносит 83 тераджоуля энергии. Это во впечатляющие полтора миллиона раз больше, чем можно получить от сжигания той же массы природного газа (метан, 55 мегаджоулей) или в целых полмиллиона раз больше, чем от килограмма его «зеленой» замены — водорода (141 мегаджоуль).
Как удержать в узде всю эту энергию, чтобы направить ее на полезную работу? Об этой инженерной проблеме зачастую несправедливо забывают.
Столь внушительная разница в энергетическом потенциале химического и ядерного топлива неслучайна. При сжигании горючего высвобождается энергия, заключенная в химических связях. А они, в свою очередь, — продукт электромагнитного взаимодействия. Ядерная энергетика в качестве фундамента использует еще более мощное взаимодействие, оно так и называется — сильное.
Электромагнетизм удерживает вместе атомное ядро и электронные облака, связывает атомы в молекулах, молекулы друг с другом в некоторых формах материи (например, водородные связи в воде и спиртах). Сильное же взаимодействие удерживает вместе кварки, формирующие адроны — протоны, нейтроны — и связывает сами формирующие атомное ядро адроны друг с другом.
Сила этого взаимодействия на интересующих нас масштабах атомного ядра более чем в сотню раз превышает силу электромагнитного взаимодействия. Поэтому деление атома высвобождает настолько больше энергии, чем его участие в любых химических реакциях.
Что самое важное, эта высвобождаемая при ядерном распаде энергия передается окружающей среде не только в виде кинетического взаимодействия атомов друг с другом. При делении ядер энергию уносят их осколки и отдельные элементарные частицы. Они способны взаимодействовать с другими атомами не только по законам электромагнетизма (сталкиваясь с их электронными облаками), но и напрямую, встречаясь непосредственно с атомным ядром. Проще говоря, энергетический поток не просто мощнее — он сфокусирован на гораздо меньшей площади.
Важная ремарка
Здесь и далее многие физические явления мы опишем в очень упрощенном виде и сознательно не станем затрагивать целый ряд физических феноменов. Почему атомы распадаются и делятся, с какой вероятностью это происходит, что получается в результате и какие законы квантовой механики диктуют их стабильные состояния, а также правила всех протекающих с ними процессов — это несколько больших отдельных тем.
Для целей этой статьи важно отметить, что есть определенные соотношения протонов и нейтронов, при которых атомное ядро будет стабильным. Если они не соблюдаются, такой атом рано или поздно претерпевает самопроизвольный распад (это явление называется радиоактивностью). Кроме того, все химические элементы более чем с 82 протонами в ядре (тяжелее свинца) в принципе нестабильны, но иногда вероятность распада чрезвычайно мал
Выше, на картинке пример цепной реакции U-235. Когда в уран-235 попадает нейтрон, он превращается в уран-236 в возбужденном состоянии и с вероятностью 82 процента делится, как правило, на пару осколков с массовыми числами 95±15 и 135±15, соответственно. На иллюстрации показаны барий-144 и криптон-89. Тройные или четверные деления происходят реже. В 18 процентах случаев энергии нейтрона оказывается недостаточно для деления атома урана-236, и тот переходит в менее возбужденное состояние испуская гамма-квант (фотон). Помимо осколков деления, реакция порождает два или три свободных нейтрона, которые могут встретить на своем пути другие атомы, желательно — урана-235. Тогда процесс повторится, и получится ядерная цепная реакция. Одна из главных задач конструкции реактора — поддерживать такую конфигурацию активной зоны, чтобы высвобожденные во время деления топлива нейтроны не улетучивались, а продолжали делить новые атомы топлива, но при этом процесс происходил с контролируемой скоростью
Причину распада можно представить как избыток энергии, который атомное ядро получило при образовании и не может удержать в себе из-за того, что его структура не позволяет это сделать. Эта энергия уносится в виде продуктов распада, среди которых важно выделить:
Распад, продукты которого тяжелее альфа-частицы и сопровождающийся высвобождением отдельных нейтронов, называется делением ядра. Его можно спровоцировать, «выстрелив» в атом свободным нейтроном и передав ему тем самым дополнительную энергию. Цепная ядерная реакция возникает, когда высвободившиеся в результате деления нейтроны встречают на своем пути новые, готовые к делению, атомы — и тогда процесс многократно повторяется (так один покатившийся камешек срывает в итоге со склона целую лавину).
Что происходит в реакторе
Начнем с самого сердца реактора — таблеток ядерного топлива (спрессованный порошок диоксида урана, обогащенного по изотопу 235U). Именно в них происходит цепная реакция деления, именно они служат первоисточником тепла в атомных электростанциях (АЭС).
Когда тяжелый атом делится, его осколки разлетаются в стороны и сталкиваются с другими атомами, которые встретились им на пути.
Это кинетическое взаимодействие уносит большую часть высвободившейся в результате деления энергии. А поскольку тепло — сумма кинетических энергий всех частиц системы, то так таблетки ядерного топлива и нагреваются.
Причем нагрев этот может быть очень быстрым. А значит, само ядерное топливо, из которого изготавливаются таблетки, должно иметь высокую температуру плавления. Иначе они потеряют свою целостность еще до того, как успеют передать тепло теплоносителю.
Еще одно важнейшее следствие деления — структура таблеток постоянно претерпевает изменения. Ведь внутри них вместо тяжелых атомов появляются более легкие — их больше, и они, разумеется, занимают больший объем. В редких случаях (с вероятностью 0,3 процента) тяжелый атом делится на три легких, один из которых — атом гелия, а еще два — «обычные» осколки деления с массовым числами около 95 и 135. Еще реже происходит четверное деление, в котором вместе с крупными осколками, как правило, образуется два атома гелия.
Помимо крупных осколков, которые почти сразу становятся дочерними атомами, позаимствовав электроны от материнского, в реакции деления образуются и другие продукты. Во-первых — фотоны высоких энергий, рентгеновское и гамма-излучение. При взаимодействии с электронным облаком встретившегося им на пути атома они передают ему свою энергию. Возбужденный таким образом электрон переходит на более высокий энергетический уровень или вовсе становится свободным. А тот атом, которому он принадлежал, становится положительным ионом — ионизируется. Со всеми вытекающими последствиями: он теперь стремится вступить в химические реакции. Гамма-кванты способны пройти большой путь и выйти далеко за пределы топливных таблеток.
Наконец, ключевой для цепной реакции продукт деления тяжелых ядер — нейтроны. У них есть масса, но нет заряда, поэтому они легко «проскальзывают» между электронными облаками и ядрами соседних атомов. Следовательно, способны пройти большой путь, пусть и меньший, чем гамма-кванты.
Но если они встречаются с ядрами, то практически наверняка взаимодействуют с ними. Видов этого взаимодействия три: упругое рассеяние, неупругое рассеяние и захват. Вероятность каждого из них рассчитывается отдельно и называется сечением взаимодействия (ядерное эффективное сечение). У разных материалов разное эффективное сечение для разных энергий нейтронов и разных видов взаимодействия.
При упругом рассеянии и нейтрон, и атомное ядро, с которым он взаимодействует, сохраняют свое внутреннее состояние, но атом может увеличить свою кинетическую энергию (то есть происходит нагрев материи), а нейтрон — изменить направление движения. Правильно подобрав сечение взаимодействия материала для упругого рассеяния нейтронов нужных энергий, можно создать эффективный отражатель нейтронов этих энергий. В таком материале нейтрон с достаточно большой вероятностью будет направлен примерно туда же, откуда прилетел. Это свойство полезно в реакторах для снижения критической массы топливной таблетки.
При неупругом рассеянии нейтрон передает значительную часть своей энергии атомному ядру, с которым взаимодействует. Результатом может стать распад ядра-мишени либо увеличение его энергии — возбуждение.
В последнем случае атом изменит свое положение в пространстве, будто бы отскочит, и может отдать часть энергии в виде фотона. Иногда количество энергии столь велико, что получится высокоэнергетический фотон — так возникает гамма- или рентгеновское излучение от облученных нейтронным потоком материалов (наведенная радиоактивность). «Отскок» атома в материалах с кристаллической решеткой, — например, в металлах — приводит к нарушению ее структуры. Такие материалы теряют прочностные свойства (на сжатие, на разрыв, трещиностойкость, упругость), в них появляются микроскопические полости, они могут даже деформироваться (распухать).
Если взять материал, в котором нейтроны нужных энергий почти не смогут вызывать деление (об этом — ниже), а будут лишь отдавать часть своей энергии, получится замедлитель нейтронов. На выходе из такого материала мы получим нейтроны меньших энергий, чем на входе, при сопоставимом общем количестве частиц. Это полезно, когда делящийся материал производит нейтроны высоких энергий, но имеет высокое эффективное сечение деления для нейтронов более низких энергий.
Выше, на картинке полуфабрикаты таблеток ядерного топлива. Перед тем, как из них соберут тепловыделяющие элементы, таблетки обработают специальным покрытием. Его состав зависит от типа реактора и применяемых технологий. Сама таблетка на фото — спеченный диоксид урана, возможно, с небольшим добавлением связующего, модифицирующего химические свойства топлива. В начале кампании реактора, сразу после загрузки топлива, таблетки состоят практически полностью из диоксида урана, в котором около 96 процентов урана-238 и всего примерно четыре процента урана-235 (степень обогащения по этому изотопу зависит от типа реактора). К концу кампании, когда топливо пора менять, картина иная: урана-238 по-прежнему большая часть, но три процента — продукты деления урана-235 и плутония-239, один процент — плутоний-239 и -240, 0,4 процента — уран-236. Среди продуктов деления — порядка трех десятков химических элементов, часть из которых газы. После двух лет работы в реакторе таблетка может заметно деформироваться и распухнуть
Трехвинтовые насосы применяются для перекачивания жидкостей со смазывающими свойствами, а также для создания давления в гидроагрегатах или преодоления давления в гидравлических контурах. Основное промышленное применение приходится на силовую гидравлику, нефть и газ, производство электроэнергии, станки и т. д.
Комментарии