"Росатом" в полном объеме выполнил запланированные в 2022 году научно-исследовательские работы по программе развития атомной науки, техники и технологий
Исполнены обязательства по 54 госконтрактам на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы на сумму 14,6 млрд рублей. Объем финансирования составил 125,2 млрд, из них федеральный бюджет - 24,5, внебюджетные источники - 100,7 млрд рублей.
Напомним, комплексная программа РТТН (ее с самого начала стали называть 14-м нацпроектом) разработана госкорпорацией "Росатом" совместно с НИЦ "Курчатовский институт", Российской академией наук, Министерством науки и высшего образования РФ. Она была рассчитана до 2024 года и включала в себя разработку передовых технологий и материалов, образцов новой техники, техническое перевооружение, строительство уникальных комплексов и объектов инфраструктуры в области атомной энергетики и управления реакциями термоядерного синтеза, а также атомных станций малой мощности.
Головной научной организацией определен "Курчатовский институт". В апреле 2022 года указом президента России программа РТТН была продлена на шесть лет - до 2030 года.
- Реализация комплексной программы по развитию атомной науки и технологий - важный шаг для технологического развития России, создания передовых отечественных наукоемких технологий, - считает генеральный директор "Росатома" Алексей Лихачев. - Благодаря этой многолетней программе мы можем создать инфраструктуру и реализовать серьезные проекты, которые будут определять не только будущее атомной энергетики на несколько десятков лет вперед, но и способствовать развитию ядерной медицины, машиностроения, микроэлектроники и других наукоемких отраслей.
Принимая решение о продлении программы РТТН, президент России Владимир Путин отмечал, что уже сейчас по уровню технологического развития "Росатом" опережает зарубежные компании на 7-8 лет, а реализация мер, намеченных в программе, даст возможность увеличить отрыв.
Чтобы это мировое лидерство упрочить, в программу заложено пять федеральных проектов: "Новая атомная энергетика", "Экспериментально-стендовая база", "Термоядерные и плазменные технологии", "Новые материалы и технологии", "Референтные энергоблоки атомных электростанций". Они выполняются научными, конструкторскими и производственными организациями "Росатома" в тесном сотрудничестве с академическими институтами, вузами и ведущими научно-исследовательскими центрами.
Другое важное обстоятельство - наряду с профессионалами старшего поколения в эти перспективные области активно вовлекаются молодые исследователи. Старший научный сотрудник Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ) Константин Гуторов, говоря о своем и своего института участии в проектах РТТН, признался:
- В детстве я мечтал стать космонавтом. Сейчас занимаюсь созданием плазменного космического двигателя, который позволит совершать межпланетные перелеты.
Анастасия Щербак из того же ТРИНИТИ (она - ведущий инженер в лаборатории диагностики плазмы токамаков и физики плазменных процессов) к другим планетам не собирается, но цель для себя выбрала не менее амбициозную:
- Пошла заниматься токамаками, чтобы создать искусственное солнце на Земле, экологически чистый и неисчерпаемый источник энергии - термоядерный реактор.
Научный центр в подмосковном Троицке, где работают Анастасия Щербак, Константин Гуторов и их коллеги, стал в федеральном проекте по термоядерным и плазменным технологиям одним из ключевых исполнителей.
- Наиболее дорогостоящая часть "термоядерного" федерального проекта, да и всей комплексной программы РТТН, - это модернизация существующей инфраструктуры, создание новых экспериментальных объектов и установок, - отмечает директор направления научно-технических исследований и разработок "Росатома", член-корреспондент РАН Виктор Ильгисонис.
Например, российский токамак Т-15МД в "Курчатовском институте" - самая крупная отечественная термоядерная установка - должен быть доукомплектован системами дополнительного нагрева, диагностики, сбора и обработки данных, генерации тока и другими элементами.
Cпециалистами ТРИНИТИ совместно с АО "НИКИЭТ (оба научных центра входят в структуру "Росатома") разработан и уже изготовлен внутрикамерный элемент защиты первой стенки, а также литиевый лимитер для экспериментов на Т-15МД. Он способен работать стационарно с принудительным охлаждением и внешней подпиткой жидким литием. На малом токамаке Т-11М, расположенном в Троицке, проведены эксперименты по изучению влияния инжекции мелкодисперсного лития на параметры плазмы.
Разрабатываемая технология также найдет свое применение в токамаке реакторных технологий (ТРТ), который разрабатывается как важнейший необходимый этап на пути к созданию демонстрационного термоядерного реактора.
Выполняя свою часть работ по созданию прототипа плазменного ракетного двигателя, в ТРИНИТИ создали ускоритель плазмы с системой предварительной ионизации рабочего тела, исследовали энергобаланс в плазменном потоке с высоким удельным импульсом и разработали методы повышения ресурса электродов в нем.
После завершения всех работ в 2024 году ТРИНИТИ, как ожидается, изготовит прототип двигателя с повышенными параметрами тяги и удельного импульса. Создание такого двигателя будет прорывом в космонавтике.
- Сейчас ракеты летают на химических двигателях, для них предел скорости выброса раскаленных газов - 4,5-5 км/с, увеличить эту скорость не позволяют законы термодинамики, - поясняет Виктор Ильгисонис. - Современные ракеты - это фактически гигантские топливные баки: в ракете общим весом около 300 тонн полезная нагрузка, то есть сам спутник, составляет только 5-6 тонн, остальное - горючее, которое нужно сжечь, чтобы вывести аппарат на орбиту.
А если "выбрасывать" из ракет не горячие газы, а вещество с большей энергией - например плазму? Отсюда и возник термин "плазменный двигатель", а с ним и возможность значительно уменьшить массу ракеты. Такие двигатели сейчас используются, например, для коррекции орбиты спутников. Но тяга и мощность у них существенно меньше, чем у химических.
- Цель работы в рамках РТТН, - заключает Виктор Ильгисонис, - улучшение именно этих характеристик: повышение мощности, удельного импульса и в конечном счете тяги плазменных двигателей.
Карташева Александра, ТРИНИТИ, старший научный сотрудник лаборатории импульсных плазменных процессов:
- Плазма - это четвертое состояние вещества, она составляет 99 процентов Вселенной. Но если с состояниями жидкость, газ и твердое тело мы сталкиваемся ежеминутно, то плазма встречается реже. Три состояния вещества человек изучал испокон веков, а наука о плазме молода, ей около 100 лет. Создание установок для изучения этой материи является нетривиальной задачей. Поэтому и пошла выполнять научные работы на кафедру плазменной энергетики. Мне захотелось разработать универсальные методики диагностики плазмы для измерения ее характерных параметров. Зная значения этих параметров для различных условий, возможно понять, как плазмой управлять. А управление плазмой даст возможность создать новые мощные источники энергии.
Димитровград открыт для сотрудничества
В рамках федерального проекта создания экспериментально-стендовой базы выполнены все НИОКР по исследованию и обоснованию безопасности строящегося в Димитровграде Многоцелевого исследовательского реактора на быстрых нейтронах (МБИР), продлению эксплуатации реактора БОР-60, обоснованию инновационных радиохимических технологий.
На основе национальной программы перспективных экспериментальных исследований на МБИР, утвержденной в 2021 году, продолжает формироваться международная программа исследований. В июле 2022 года 56 ученых, экспертов, руководителей из 13 научных центров России, Китая, Индии, Казахстана, Узбекистана, Вьетнама, Алжира, Армении, МАГАТЭ и ОИЯИ обсудили создание такой международной программы.
В апреле 2022 года на площадку ГНЦ НИИАР (входит в научный дивизион "Росатома") с опережением сроков доставили корпус МБИР. Это уникальное изделие длиной 12 метров, диаметром четыре и весом более 83 тонн. В январе 2023 года завершили его установку в проектное положение. Сейчас на строительной площадке трудятся почти 1,5 тысячи рабочих и инженеров.
Дамир Кагиров, ГНЦ НИИАР, ведущий инженер отдела технического надзора и строительного контроля:
- Всегда мечтал стать атомщиком! И сегодня я с гордостью рассказываю своему сыну, что ежедневно нахожусь на строительной площадке не имеющего аналогов в мире быстрого исследовательского реактора МБИР. На моих глазах создается уникальная инфраструктура, которая позволит нашим ученым успешно трудиться следующие 50 лет. Я счастлив, что имею возможность принимать участие в этом глобальном проекте.
Материалы для новых установок и трехмерная печать
Одна из главных задач программы РТТН - обеспечение технологической независимости и условий для опережающего развития российской атомной отрасли в кооперации с партнерами из других наукоемких сфер. О том, как это реализуется на практике, рассказывает и подкрепляет примерами первый заместитель генерального директора АО "Наука и инновации" (управляющая компания научного дивизиона "Росатома") Алексей Дуб.
- Сроки эксплуатации конкретной установки определяют превосходство отрасли перед конкурентами, - обозначил наш собеседник исходный тезис. - Поэтому знание того, как ведут себя разные материалы при экстремальных давлениях и температурах, при заданных условиях службы, очень важно для конструкторов, чтобы понимать, как создавать новые установки.
И с этой точки зрения одним из значимых достижений стало получение ступенчатых поковок из новых сталей для перспективных реакторных установок ВВЭР-С (водо-водяной энергетический реактор со спектральным регулированием) и ВВЭР-СКД (водо-водяной энергетический реактор со сверхкритическим давлением). Спектральное регулирование позволит улучшить эффективность использования ядерного "горючего" в реакторах, что важно с точки зрения реализации в России стратегии двухкомпонентной атомной энергетики, в которой "быстрые" реакторы будут сопряжены с традиционными сейчас реакторами на тепловых нейтронах.
В реакторных установках ВВЭР-СКД, то есть при сверхкритическом давлении, исчезает различие между жидкостью и паром, и вода находится в промежуточном состоянии. По оценкам специалистов, переход на сверхкритические параметры позволит повысить КПД энергоблоков АЭС до 45 процентов, сократить удельные капитальные затраты на их сооружение при обеспечении высокой безопасности.
- Значительного прогресса мы достигли в работах по карбиду кремния, - отмечает Дуб другой важный результат. - В 2022 году были получены образцы карбида кремния с очень низким содержанием кислорода в качестве примеси, что крайне важно для работы этого материала в ядерных реакторах. Было обеспечено фактически квазивязкое состояние карбида кремния - иначе говоря, специальные композиционные образцы из него демонстрируют не только прочность, но и упругость. И специалисты Высокотехнологического научно-исследовательского института неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара (ВНИИНМ, предприятие топливной компании "Росатома" ТВЭЛ) расчетным методом показали, что изделия из карбида кремния будут удовлетворять необходимым требованиям к изготовлению оболочек для так называемого толерантного топлива.
Добавим: применение толерантного ядерного топлива (accident tolerant fuel) должно существенно повысить безопасность и эффективность эксплуатации атомных станций. Сейчас во многих странах, где развивают атомную энергетику, ведутся работы по созданию такого топлива, которое было бы устойчиво к авариям с потерей теплоносителя. То есть на те гипотетические случаи, когда прекращается подача охлаждающей воды в активную зону реактора и происходит перегрев ядерного топлива. Сейчас оболочки тепловыделяющих элементов (твелов) делают главным образом из циркония, а с этим связана опасность возникновения при перегреве так называемой пароциркониевой реакции. Она, в свою очередь, сопровождается выделением водорода, что гипотетически, при уникальном стечение обстоятельств, может привести к взрыву, разрушению конструкций атомного энергоблока и выходу радиоактивных веществ в окружающую среду.
Одно из возможных решений этой проблемы основано на замещении циркония материалами, у которых реакция с паром идет с меньшим энерговыделением и нарабатывается меньше водорода. В число таких материалов входит и карбид кремния (карборунд). Научно-исследовательский институт "ЛУЧ" в подмосковном Подольске (НИИ НПО "ЛУЧ", входит в научный дивизион "Росатома") разрабатывает технологию получения изделий сложной формы из карбида кремния размерами до 900 миллиметров.
- По карбиду кремния мы не просто находимся на мировом уровне, мы идем быстрее зарубежных конкурентов, - заверил Алексей Дуб.
Еще одной важной задачей в рамках РТТН наш собеседник называет развитие технологий трехмерной печати (аддитивных технологий).
- Мы ведем работы по семи разным направлениям - печать изделий для атомной энергетики, для космоса и других отраслей. Для потребностей авиапромышленности создается крупная установка, на которой можно делать из титановой проволоки ячеистые панели с габаритами более 2 метров.
Разработаны и изготовлены два 3D-принтера, на которых можно печатать изделия из керамических (методами FDM/LDM и SLA) и полимерных (методами FDM) материалов. Такой способ значительно сокращает сроки изготовления деталей и оптимизирует себестоимость производства.
***
В НИИ НПО "ЛУЧ" собран первый отечественный, не имеющий аналогов в мире трехосевой сканатор. Он обеспечивает контроль температуры и модулирующее воздействие на материал при кристаллизации во время селективного лазерного плавления, позволяет управлять структурой материала во время 3D-печати изделий.
***
В ТРИНИТИ создали стенд по исследованию коррозии металлов в условиях одновременного воздействия влажного воздуха и ионизирующего излучения, сокращающий необходимое время эксперимента в тысячи раз.
***
В НИИАР разработали радиохимические технологии получения изотопов трансплутониевых элементов - материалов для синтеза новых элементов Периодической таблицы Менделеева. Эти работы позволят ученым ОИЯИ закрепить лидерство России в этом деле.
***
В рамках создания исследовательского жидкосолевого реактора завершен один из ключевых этапов - эскизное проектирование.
"Прорыв" к новой атомной энергетике
В рамках первого федерального проекта РТТН (инициатива социально-экономического развития "Новая атомная энергетика") в "ОКБМ Африкантов" (Нижний Новгород) разработан технический проект реакторной установки РИТМ-200Н, которая станет основой для атомных станций малой мощности. Проведена государственная экологическая экспертиза на размещение первой такой АСММ в Якутии. Разработаны материалы обоснования лицензии на размещение атомной станции малой мощности.
Введена в эксплуатацию первая очередь учебно-тренировочного информационного центра Опытно-демонстрационного энергокомплекса, сооружаемого в рамках проекта "Прорыв" на территории Сибирского химкомбината (Северск, Томская область).
Активная зона реактора БН-800 (энергоблок N 4 Белоярской АЭС, Свердловская область) на 93 процента загружена МОКС-топливом. Получены результаты НИОКР в области замыкания ядерного топливного цикла, создания атомных станций малой мощности и теплоснабжения, промышленных реакторов на быстрых нейтронах.
По пятому федеральному проекту в рамках РТТН в 2022 году на первом энергоблоке Курской АЭС-2 установлен в проектное положение корпус реактора. На втором энергоблоке завершено бетонирование перекрытия установки главного циркуляционного насоса. Готовность Курской АЭС-2 к вводу в промышленную эксплуатацию доведена до 37,48 процента (план - 37,3).
Шарапов Илья, НИИ НПО "ЛУЧ", заместитель директора отделения оптических и информационных технологий:
- Мой путь в науке не был прямым и ясным. В какой-то момент, еще в школе, увлекла физика в разделе оптики. Ее изучение давалось легко и приносило радость, однако со временем это забылось, в вуз я пошел совершенно по другому направлению. Попал на практику в НПО "ЛУЧ", а после завершения учебы остался здесь работать. Так, примерно через 15 лет после самых первых приближений к физике и оптике, снова пришел в область разработки оптических приборов, которые позволят аддитивно "выращивать" ранее немыслимые изделия и детали для передовых научных разработок отечественных ученых и инженеров.
Алексей Смирнов, Владимир Александров Москва - Заречный - Звенигород - Димитровград - Дубна - Нижний Новгород - Обнинск - Подольск - Санкт-Петербург - Северск - Троицк
Публикацию подготовил Александр Емельяненков