Вестник РАН, 2021, T. 91, № 5, стр. 479-483

Стратегия развития Госкорпорации “Росатом” предполагает активное освоение в ближайшие 10 лет новых технологий по ряду крупных направлений: традиционные водо-водяные энергетические реакторы (ВВЭР) и перспективные ВВЭР-С и ВВЭР-СКД, реакторы на быстрых нейтронах БН-1200 и БРЕСТ, жидкосолевые реакторы на расплавах солей, высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы, атомные станции малой мощности, конструкционные материалы топлива, аддитивные и другие технологии [1]. Успех/эффективность развития каждого из этих технологических направлений связан с выходом за традиционные базы данных по материалам и необходимостью исследования механизмов их поведения в новых условиях [2]. Неслучайно Научно-технический совет Госкорпорации “Росатом” принял решение выделить отдельную материаловедческую программу, одна из задач которой состоит в том, чтобы существенно сократить сроки разработки новых материалов для их использования в перспективных проектах. Уже перед началом реализации этой программы количество исходных кандидатных материалов превышало сотню. Возможность работы с ними в обозримое время требовала новых подходов. С этой целью было организовано взаимодействие предприятий “Росатома” с институтами РАН и университетами. Академия наук тесно вплетена во все проекты, связанные с атомным материаловедением.

Подчеркнём, что основные подходы к новым материалам, использовавшиеся в атомной отрасли на рубеже 1970–1980-х годов, фактически исчерпаны. Конструкционные материалы, закладываемые в новые энергетические технологии, должны обеспечивать работоспособность реакторов при высоком давлении, высоких температурах (более 650°С) и высоких повреждающих дозах (более 140 сна¹¹) [2]. Один из базовых подходов состоит в том, чтобы при материаловедческом обосновании с самого начала технологической цепочки закладывалась связь микро-, мезо- и макропараметров структуры новых материалов, с одной стороны, с их энергетическим состоянием и локальным взаимодействием в условиях эксплуатации – с другой (рис. 1) [3].

Рис. 1.

Генезис материалов – взаимосвязь структурных уровней

Концепция отбора кандидатных материалов представляет собой пирамиду, состоящую из нескольких уровней: компьютерное материаловедение на первом этапе [3–8], ускоренные имитационные испытания на этапе оценки кандидатных материалов [9–14] и, утверждённый Ростехнадзором полный набор исследований, включая реакторные испытания, для окончательного выбора с обоснованием. Чтобы в ограниченное время достичь нужных результатов, работа с подбором кандидатных материалов должна трансформироваться в стандартные процедуры: расчётные коды, программы и методики.

Основная задача компьютерного материаловедения – отбор кандидатных материалов из большого числа вариантов. Инструментом здесь служат теория функционала плотности, динамическая теория среднего поля и квантовая химия. Вычислительные инструменты предполагают использование методов машинного обучения для ускоренного поиска материалов с заданными свойствами и верификацию по базам данных [3–8]. Так, нами проведена оценка более 550 тыс. вариантов различных сплавов, которая показала, что многокомпонентные (более 4 элементов) ферритно-мартенситные стали – основной материал для изготовления реакторных корпусов – демонстрируют одновременно существенное увеличение стабильности и пластичности без значительной деградации механических свойств (рис. 2).

Рис. 2.

Роль компьютерного материаловедения в разработке методик отбора кандидатных материалов (а); проекты, центры и базы данных в области компьютерного материаловедения (б); подбор материалов с наилучшими свойствами (модуль Юнга) (в)

Следует отметить, что работы в области компьютерного материаловедения собираются в единой Базе данных по свойствам материалов Госкорпорации “Росатом”, которая формируется как отдельный проект.

Для ускоренных имитационных исследований радиационной стойкости конструкционных материалов используется ускоритель заряженных частиц “Тандем” (Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского) – новая и уникальная для России установка, лучшая в своём классе, позволяющая получить результат быстрее, чем в реакторных экспериментах. Ускорители давно применялись для реакторного материаловедения [9–14]. Вопрос состоял в том, чтобы эту методику использовать как стандарт. На специальных типах образцов, облучённых в ускорителе, нам удалось продемонстрировать механизмы и воздействие разных видов облучения не только на структуру материала, но и на их свойства. При этом дозовая нагрузка на образец достигала 200 сна, имитируя деградацию микроструктуры так же, как при реакторном облучении. Однако в условиях реакторных испытаний этот процесс занял бы более 5–10 лет, при облучении на ускорителе – часы.

Изучались все типы металлических материалов для атомной энергетики (рис. 3, 4). На рисунке 4 представлена схема, которая демонстрирует, каким образом можно перейти от ускоренных методов облучения к измерению микротвёрдости и микроиндентированию, провести пересчёт в механические свойства и определить критическую температуру для перехода из вязкого состояния в хрупкое, а также макропоказатели трещиностойкости и при этом подтвердить, что именно такие образцы являются представительными для конкретного типа и класса стали. Важнейший итог этих работ – создание стандарта испытаний на основе предложенной методики, позволившей за счёт непосредственного измерения структурночувствительных параметров материала определить влияние различных температур облучения на радиационную стойкость, а следовательно, и на ресурс материала.

Рис. 3.

Ускоренные имитационные исследования радиационной повреждаемости конструкционных материалов

Рис. 4.

Прогнозирование сопротивления хрупкому разрушению (трещиностойкости) конструкционных материалов по результатам испытаний образцов, облучённых в ионном ускорителе

Заключительная часть – ускоренные реакторные испытания. Госкорпорация “Росатом” обладает развитой экспериментальной базой, значительную часть которой составляют действующие исследовательские ядерные установки. Совместная работа институтов Госкорпорации “Росатом” и НИЦ “Курчатовский институт” показала возможность проведения ускоренных реакторных испытаний с увеличением дозы облучения образцов более чем в 10 раз. При этом учитывалось поведение внешней окружающей среды.

Таким образом, всего за два года (!) был отобран основной материал для внутрикорпусных устройств перспективного реактора ВВЭР-СКД, который сейчас проходит реакторные испытания. При этом осуществлён последовательный отбор сплава сначала по критерию поведения при радиационном распухании, затем при коррозионном растрескивании в водной среде сверхвысоких параметров, либо при водородном охрупчивании и тепловом старении. Сопротивление хрупкому разрушению и коррозионная прочность обеспечены после ионного облучения до 200 сна, что соответствует запредельному сроку службы материала в реальных условиях.

Получены образцы перспективного конструкционного материала толерантного топлива на основе карбида кремния. Реализован полный цикл его производства от компьютерного моделирования до экспериментальных изделий, освоен опыт работы с волокнами из SiC. Фактически создана новая отрасль атомной энергетики.

Подобраны композиции жаропрочных материалов, упрочнение которых обеспечивается за счёт выделения наноразмерных фаз, что позволяет увеличить сроки их эксплуатации при обычных температурах в 100 раз, либо поднять температуру эксплуатации установки на 50°С. Кроме того, показано, что в ферритно-мартенситных сталях за счёт радиационного воздействия появляются высокодисперсные наноразмерные фазы, которые не выделяются при обычных условиях, что приводит к равномерному упрочнению материала. При этом наноразмерные фазы образуются при относительно высоких температурах (более 400–500°С). Иными словами, создаётся новая радиационная технология упрочнения сплавов ферритно-мартенситного класса, которые можно использовать и в обычных условиях. Ещё одно важное направление – селективное удаление атомов под действием облучения ускоренными частицами, при котором инициируется процесс замены атомов исходного химического соединения на новые атомы, содержащиеся в ионном пучке.

В настоящее время мы располагаем аддитивными технологиями – высокопроизводительной системой селективного лазерного плавления металлических порошков (3D-принтер по металлу), уникальным с точки зрения материаловедения оборудованием российского производства. В относительно малом объёме жидкого расплава концентрируется большая энергия за счёт лазерного или электронного луча. Поэтому без рассеяния или поглощения можно обеспечить целенаправленное воздействие на микроструктуру металла, начиная с формирования первичной кристаллической структуры, за счёт модуляции параметров пучкового излучения, которое помимо теплового воздействия генерирует ультразвуковые колебания.

Идёт поиск конструкционных материалов для одного из инновационных проектов атомной энергетики – жидкосолевого реактора. Топливо в таких установках будут растворять в расплаве солей FLiBe. Но в перспективе реактор могут перевести на более эффективную композицию ФЛИНАК (смесь фторидов лития, натрия и калия LiF-NaF-KF), которая при всей агрессивности способна растворять большее количество минорных актинидов. Уже подобран ряд материалов, подтверждающих возможность обеспечивать скорость их коррозии менее 30 мкм/год после 100 ч эксплуатации при 650°С в среде ФЛИНАК.

Новые условия эксплуатации и механизмы поведения материалов требуют проведения совместных с институтами РАН фундаментальных работ в области атомного материаловедения. К ним в первую очередь относятся работы:

• по изучению сочетания первопринципного моделирования свойств материалов на основе квантовомеханических расчётов с использованием функционала плотности и последующего молекулярного моделирования на основе машинного обучения с использованием результатов этих расчётов на мезо- и макроуровне;

• по исследованию природы радиационного повреждения материалов при воздействии нейтронов и заряженных частиц;

• по изучению кинетических явлений при фазовых переходах и детальному исследованию динамики кристаллизации металлов с возможностью воздействия на неё синхротронным, лазерным и другими видами излучений.

Большой объём фундаментальных исследований будет выполняться в академических институтах. Можно сказать, что научные центры и институты РАН играют важнейшую роль в разработке новых материалов для атомной энергетики.