Коллектив лаборатории физики структурных превращений ИФПМ СО РАН вот уже 20 лет успешно сотрудничает с госкорпорацией «Росатом»: томские ученые исследуют фундаментальные свойства поведения материалов и создают уникальные сплавы для ядерной энергетики, способные выдержать экстремальные нагрузки. Достижения научного коллектива не имеют аналогов в мире, но ежегодно им удается добиться новых научных результатов. Не стал исключением и 2020 год, ознаменовавшийся тем, что ученые получили материалы, способные выдержать еще более высокие температуры эксплуатации в активных зонах ядерных реакторов.
Моя беседа с заведующим лабораторией профессором Александром Тюменцевым начинается с рассказа о книге академика Петра Капицы, прочитанной им еще в юности. Выдающийся физик и нобелевский лауреат писал о том, какие три условия необходимы для успешного развития науки: во‑первых, это работа на острие фундаментальных знаний; во‑вторых, практическая значимость и востребованность полученных результатов; и, наконец, в‑третьих, наличие коллектива, способного справиться с поставленной задачей. Как работает эта триада, можно проследить на примере лаборатории физики структурных превращений.
– Она была создана в 1998 году как совместная лаборатория ИФПМ СО РАН и ТГУ (такая форма кооперации еще раз показывает, насколько эффективен альянс вузов и НИИ). Это стало логичным продолжением развития научной школы Александра Дмитриевича Коротаева, продолжателя традиций профессора М. А. Большаниной, академиков В. Д. Кузнецова и В. Е. Панина, – рассказывает Александр Николаевич. – Два главных направления научных исследований, которые ведутся здесь, это фундаментальные работы по изучению поведения материалов в условиях интенсивных внешних воздействий и создание новых материалов для атомной отрасли. Нашей базовой кафедрой является кафедра физики металлов ТГУ (ранее – кафедра физики твердого тела), которую сейчас возглавляет ведущий научный сотрудник лаборатории Иван Дитенберг. Значительная часть сотрудников не только лаборатории, но и всего института – это ее выпускники, от основателя научной школы до сегодняшних аспирантов.
Как отмечает Иван Александрович, основные успехи научного коллектива связаны с разработкой новых композиций и материалов, изучением их микроструктуры и свойств, совершенствованием уже известных технологий для ядерной энергетики. Одним из значимых достижений специалистов из ИФПМ СО РАН является разработка целого ряда малоактивируемых ванадиевых сплавов, предназначенных для активных зон ядерных реакторов третьего поколения (это тот класс реакторов, который используется в настоящее время) и четвертого поколения (это те объекты, которые только проектируются). Это материалы для оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) – критических элементов конструкций ядерных реакторов, определяющих их наиболее важные эксплуатационные характеристики, такие как интервалы рабочих температур в активной зоне реактора, его энергетическую эффективность и экономичность. Кроме того, эти сплавы могут найти свое применение в энергетических реакторах будущего – реакторах термоядерного синтеза, в том числе в строящемся в настоящее время во Франции международном реакторе ИТЭР.
– Наиболее разработанными для этих целей сейчас являются сплавы системы ванадий – хром – титан. Принципиально важно то, что это малоактивируемые сплавы с быстрым спадом радиоактивности. Поэтому после того, как они отработали свой срок в реакторе, уже через 50–100 лет (в масштабах атомной отрасли это очень короткий срок) их можно переработать и использовать вновь, – поясняет Александр Тюменцев. – Это показывает, что можно приблизиться к решению проблемы полного замкнутого топливного цикла, когда не только отработавшее свое топливо, но и материалы активной зоны могут использоваться многократно.
Материаловеды из ИФПМ СО РАН предлагают атомщикам новые ванадиевые сплавы с уникальными характеристиками. Один из вызовов отрасли – разработка материалов, обладающих более высокой жаропрочностью при одновременном сохранении низкотемпературной пластичности. Большое значение имеет верхняя граница интервала рабочих температур активной зоны реактора, ее повышение всего на 50–100 градусов Цельсия дает значительный экономический эффект.
В сплавах ванадий – хром – титан производства России, США и Японии эта граница находится в интервале температур 700–750 градусов. Поскольку в значительной степени она определяется термической стабильностью их микроструктуры, в работах ИФПМ СО РАН предложены новые методы их дисперсного упрочнения, обеспечивающие формирование наноразмерных частиц карбидов (ZrC) и оксидов (ZrO2) циркония со значительно более высокой термической стабильностью. Легирование вольфрамом, цирконием и углеродом позволило путем дисперсного упрочнения наночастицами ZrC повысить термическую стабильность микроструктуры не менее чем на 100 градусов Цельсия. С использованием дисперсного упрочнения частицами оксида циркония, стабильными до температур, близких к температуре плавления материала, термическая стабильность микроструктуры повышается в ванадиевых сплавах более чем на 300 градусов Цельсия!
Следствием наноструктурирования гетерофазной структуры является значительное повышение эффективности дисперсного упрочнения с получением рекордных для материалов данного класса характеристик высокотемпературной прочности вблизи верхней границы интервала рабочих температур в активной зоне реактора. В комплексе эти результаты свидетельствуют о возможности повышения этой границы до 800–900 градусов в сплавах с карбидным упрочнением и до 1 000 градусов – в сплавах с наноразмерными частицами оксида циркония.
По словам Александра Тюменцева, наша страна занимает лидирующие позиции в мире в области атомной энергетики, в новых технологиях и материалах, в создании новых реакторов на быстрых нейтронах, в реализации полного замкнутого топливного цикла. Разработанные в ИФПМ СО РАН новые материалы и методы их дисперсного упрочнения позволят еще на шаг приблизиться к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике.
Автор: Ольга Булгакова
