Уникальные материалы созданы в России и нужны для изучения процессов, что происходили в момент образования Вселенной. В том же ряду - разработка топлива для экспериментального жидко-солевого реактора, создание новых топливных композиций для реакторов АЭС и перспективных атомных ледоколов, очистка термоядерной плазмы от трития и ядерные "батарейки" для космоса.
Все это и многое другое вышло и продолжает выходить из стен вечно молодой "девятки", как много лет называли для краткости НИИ-9, а ныне - входящий в топливную компанию ТВЭЛ Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара.
В свое время на этот научный коллектив было возложено решение задач по технологии и материаловедению всего комплекса урановой проблемы: от изучения месторождений и методов геолого-разведочных работ до получения металлического урана, выделения из него после облучения плутония, получения металлического плутония, создание сплавов и технологий для изготовления компонентов ядерного оружия.
В 1946 году к работе института в качестве научного консультанта был привлечен один из ближайших сподвижников Игоря Курчатова - создатель отечественной школы материаловедения академик Андрей Анатольевич Бочвар. В 1953 году он стал директором НИИ-9 и проработал на этом посту более 30 лет. Под руководством академика Бочвара институт стал, по существу, технологическим и материаловедческим центром атомной отрасли. Здесь велась разработка тепловыделяющих элементов для первой в мире атомной электростанции, которую пустили в 1954 году в Обнинске. Без топлива, разработанного в "девятке", был бы невозможен наш атомный флот, в том числе ледокольный.
Здесь же были разработаны изотопные термоэлектрогенераторы для энергоснабжения аппаратов "Луноход-1" и "Луноход-2", а затем - радиоизотопные источники для аппаратов "Венера" и "Вега".
А ныне тут решают другие приоритетные задачи.
Наиболее заметные и перспективные разработки ВНИИНМ имени академика А.А. Бочвара представляет и комментирует его нынешний генеральный директор Леонид КАРПЮК.
Леонид Александрович, научная база нашей атомной отрасли была и остается предметом ее особой гордости. А "Росатом" не без оснований называют корпорацией знаний. Как в эту систему встроен ВНИИНМ и на что сегодня нацелен?
Леонид Карпюк: Мы входим в число стержневых институтов "Росатома", работая на развитие не только отечественной, но и, без преувеличения, мировой атомной энергетики. Например, за рекордно короткие сроки сотрудники института реализовали проект создания так называемого толерантного ядерного топлива. ВНИИНМ - один из основных разработчиков конструкционных материалов, топлива и технологий обращения с ОЯТ и радиоактивными отходами в рамках отраслевого проекта "Прорыв". А сам этот проект нацелен на достижение нового качества ядерной энергетики, разработку, создание и промышленную реализацию замкнутого ядерного топливного цикла на базе энергетических реакторов на быстрых нейтронах.
Замкнутый ядерный топливный цикл называют философским камнем энергетики. На чем сосредоточены усилия вашего коллектива в таких поисках и чего удалось добиться?
Леонид Карпюк: Тут речь прежде всего о технологиях создания так называемого смешанного нитридного уран-плутониевого (СНУП) и смешанного оксидного уран-плутониевого (МОКС) топлива, которые позволяют существенно снизить потребность в уране. Промышленное МОКС-топливо уже применяется в реакторе БН-800 на Белоярской АЭС, а на СНУП-топливе будет работать реактор БРЕСТ, который начали строить в Северске под Томском.
Что касается других "топливных" направлений, то в прошлом году наши сотрудники приступили к разработке топлива для российского экспериментального жидко-солевого реактора, который намечено построить в Красноярском крае, на площадке Горно-химического комбината в ЗАТО Железногорск. Эта установка понадобится для отработки технологий обезвреживания самых опасных радиоактивных веществ, которые остаются после переработки отработавшего ядерного топлива.
Но только сказанным наши исследования и разработки не ограничиваются. Вместе с коллегами из другого института "Росатома" ТРИНИТИ создали базовую версию технологического тритиевого цикла для экспериментальной установки - модифицированного токамака с сильным полем.
Насколько это важно?
Леонид Карпюк: Очень важно. Технологический тритиевый цикл - это одна из критически важных систем инфраструктуры термоядерного реактора. Дело в том, что применение в нем дейтерий-дейтерий топливных смесей приводит к наработке трития. Поэтому необходимо очищать отработанную термоядерную плазму от трития, чтобы установка работала. Вот эту задачу как раз мы и помогли решить.
Наконец, не могу не сказать, что во ВНИИНМ сейчас разрабатывается элементная база ядерной энергетической установки новейшего атомного ледокола "Лидер". В результате будет возможно обеспечить повышенные ресурсные характеристики активной зоны корабля. Кроме того, у нас разрабатывается новое надежное топливо для малых АЭС, благодаря чему такие установки смогут вырабатывать энергию до 30 лет без перегрузки активной зоны.
Сейчас у специалистов на слуху достижения ВНИИНМ в области сверхпроводников...
Леонид Карпюк: Это, не скрою, предмет нашей особой гордости в неядерной сфере - разработка конструкций и промышленных технологий изготовления композиционных сверхпроводящих материалов для разных научных установок класса mega-science. По нашим технологиям их производят на Чепецком механическом заводе в Удмуртии.
В нынешнем году в Европейской организации по ядерным исследованиям успешно завершены приемочные испытания российских ниобий-оловянных сверхпроводников. Ожидаемый и важный результат получен в институте по уникальному сверхпроводящему ниобий-титановому проводу. Эта работа шла в рамках международного научного проекта, а ее особенность в том, что для реализации концепции магнита-детектора специалисты ВНИИНМ предложили технологию сверхпроводящего провода, не имеющую аналогов в мире. Его токонесущая способность существенно превышает критический ток сверхпроводниковых элементов в Большом адронном коллайдере.
Это примеры использования сверхпроводников для фундаментальных исследований. Но ведь они востребованы и все шире применяются в других областях...
Леонид Карпюк: Спектр их применения велик и продолжает расширяться - от магнитных систем термоядерного синтеза, плазменных двигателей и ускорителей частиц до крупной электротехники различного типа. Для отработки схем и технологий создания новых, перспективных сверхпроводников этой весной в нашем институте открылись два опытных участка. На одном, в лаборатории высокотемпературных сверхпроводников, будут идти электрофизические измерения при низких, так называемых криогенных температурах. Руководством ТВЭЛ перед нами поставлена приоритетная задача - создать технологию альтернативного способа нанесения покрытий высокотемпературного сверхпроводника для удешевления производства таких материалов.
Кроме того, наши специалисты разрабатывают новые типы керамических мишеней, которые применяются при производстве длинномерных высокотемпературных сверхпроводников методом так называемой лазерной абляции.
А вообще, в портфеле института свыше 600 новых разработок, на которых ВНИИНМ имеет права. В 2020 году мы направили 11 международных заявок по темам переработки отработавшего ядерного топлива, конструкционным и функциональным материалам. А число юридически оформленных оригинальных идей за тот же год возросло на четверть. И что самое важное: такие ноу-хау не под сукно ложатся, а идут в дело - активно используются в научно-исследовательских и конструкторских работах.
ВНИИНМ и космос
В "копилке" вашего института есть не только "земные" достижения...
Леонид Карпюк: Да, именно у нас были созданы "ядерные батарейки" - опытные образцы импортозамещающих источников питания на основе радиоактивного изотопа трития. Такой источник очень удобен для космической и авиационной техники. В нем энергия бета-излучения с помощью полупроводникового преобразователя превращается в электричество. Такие компактные и безопасные устройства нужны для подпитки маломощных электросистем, микроэлектромеханических схем, датчиков, измерительных приборов.
Тритий удобен для создания "батареек" - период полураспада 12 лет, а его бета-излучение очень мягкое, не разрушает структуру полупроводниковых материалов, что позволяет сохранять рабочие характеристики источника питания в течение 15 лет.
А космическая оранжерея как с вами связана?
Леонид Карпюк: Для проекта российской конвейерной оранжереи, чтобы можно было выращивать растения в космосе, мы разработали особые пористые титановые трубки - через них идет водоснабжение корневых модулей.
Задача была нетривиальная, ведь просто полить растения на орбите нельзя: струя превратится в капли, которые разлетятся в разные стороны. А если подавать воду через капиллярную структуру корневого модуля, жидкость медленно просочится сквозь поры и попадет точно к корням растений.