Чернов Вячеслав Михайлович

Прогресс неизбежен

Моя спе­ци­аль­ность по обра­зо­ва­нию - ядерная физика. Я закон­чил ядерное отде­ле­ние физфака МГУ имени М. В. Ломо­но­сова и по рас­пре­де­ле­нию пришел в Обнинск, в ФЭИ, где раз­ра­ба­ты­вались быстрые реак­торы, был создан первый быстрый реактор БР-5/10 и раз­ра­ба­ты­вались быстрые реак­торы БН-600 и БН-800. С первыми быстрыми реак­то­рами воз­ни­кли (и сейчас имеются) про­блемы ради­а­ци­он­ной проч­но­сти кон­струк­ци­он­ных мате­ри­а­лов (ТВЭЛов и др.). И мне сказали: физиков-ядер­щи­ков в ФЭИ много, давай попро­буй заняться новой про­бле­мой ради­а­ци­он­ной проч­но­сти кон­струк­ци­он­ных мате­ри­а­лов для быстрых реак­то­ров.

Я был молод, принял вызов и начал рабо­тать по решению этой про­блемы. По новой спе­ци­аль­но­сти («физика твер­дого тела») окончил аспи­ран­туру Инсти­тута кри­стал­ло­гра­фии имени А. В. Шуб­ни­кова РАН, защитил дис­сер­та­ции, стал про­фес­со­ром. Наряду с раз­ра­бот­кой и соз­да­нием быстрых реак­то­ров в ФЭИ начали раз­ра­ба­ты­ваться кон­струк­ци­он­ные мате­ри­алы для тер­мо­я­дер­ных реак­то­ров. Для ТЯР воз­ни­кла (и сейчас имеется) трудная про­блема соз­да­ния тре­бу­е­мых мало­ак­ти­ви­ру­е­мых кон­струк­ци­он­ных мате­ри­а­лов. Начал зани­маться и этой про­бле­мой. Были полу­чены хорошие резуль­таты. В 1995 году в Обнин­ске (ФЭИ) с хорошим успехом была про­ве­дена 7-я Меж­ду­на­род­ная кон­фе­рен­ция по мате­ри­а­лам ТЯР (ICFRM-7). В после­ду­ю­щие после этой кон­фе­рен­ции серии ICFRM, про­хо­дя­щие каждые два года (ICFRM-8-22), я вхожу в Меж­ду­на­род­ный Комитет Совет­ни­ков этих кон­фе­рен­ций. К слову, зару­беж­ные страны, соз­да­ю­щие ядерную энер­гетику, как правило, зани­ма­ются раз­ра­бот­кой и соз­да­нием мало­ак­ти­ви­ро­ван­ных кон­струк­ци­он­ных мате­ри­а­лов. Во ВНИИНМ я пришел в 1998 году из ФЭИ.

Энер­гети­че­ские тер­мо­я­дер­ные реак­торы (ТЯР) и быстрые ядерные реак­торы (БР) явля­ются важной частью мировой ядерной энер­гетики, делая её прак­ти­че­ски воз­о­б­но­в­ля­е­мым источ­ни­ком энергии. Кон­струк­ци­он­ные мате­ри­алы (КМ) опре­де­ляют рабо­то­с­по­соб­ность энер­гети­че­ских реак­то­ров (режимы и дли­тель­но­сти топ­лив­ных кам­па­ний, эко­но­ми­че­скую эффек­тив­ность). Пер­спек­тив­ными КМ явля­ются мало­ак­ти­ви­ру­е­мые сплавы ванадия. Мировая коор­ди­на­ция работ по раз­ра­ботке и при­ме­не­нию мало­ак­ти­ви­ру­е­мых сплавов ванадия для ТЯР осу­ще­ст­в­ля­ется спе­ци­аль­ной Рабочей Группой Меж­ду­на­род­ного Энер­гети­че­ского Аген­т­ства (МЭА). Мало­ак­ти­ви­ру­е­мые КМ (МАКМ) без­аль­тер­на­тивны для ТЯР и пер­спек­тивны для быстрых реак­то­ров нового поко­ле­ния (БР-4) с реали­за­цией полного зам­кну­того ядер­ного топ­лив­ного цикла (рефа­бри­ка­ция облу­чен­ных топ­лив­ных и кон­струк­ци­он­ных мате­ри­а­лов за исто­ри­че­ски корот­кое время после облу­че­ния).

В зна­чи­тель­ной мере про­блемы выбора и соз­да­ния МАКМ опре­де­лены. МАКМ явля­ются про­дук­том высоких метал­лур­ги­че­ских и пере­ра­ба­ты­ва­ю­щих тех­ноло­гий. Такие сплавы должны иметь мини­маль­ные тех­ноло­ги­че­ские кон­цен­тра­ции сильно-дли­тельно акти­ви­ру­е­мых эле­мен­тов (N, Nb, Mo, Ni, Co, Cu, Al). Соз­да­ва­е­мые МАКМ по своим физико-меха­ни­че­ским свойствам не должны усту­пать соз­дан­ным обычным КМ (сильно и дли­тельно ради­о­ак­тив­ным сталям и сплавам, захо­ро­не­ние после облу­че­ния на тыся­че­летия) и должны суще­ственно пре­вос­хо­дить их по ядерно-физи­че­ским свойствам (меньшее погло­ще­ние нейтро­нов, меньшая и быстро спа­да­ю­щая ради­о­ак­тив­ность, рефа­бри­ка­ция после облу­че­ния для пов­тор­ного исполь­зо­ва­ния за время менее 100 лет). Тре­бо­ва­ниям действу­ю­щих БР-3 (БН-600, БН-800) и пла­ни­ру­е­мых демон­стра­ци­он­ных ТЯР (ДЕМО-ТЯР) с дли­тель­но­стями топ­лив­ных кам­па­ний до 3-х лет и ради­а­ци­он­ными повре­жда­е­мо­стями КМ до 100 сна удо­вле­тво­ряют соз­дан­ные МАКМ-3 (фер­ритно-мар­тен­сит­ные хро­ми­стые стали, сплав ванадия V-4Ti-4Cr).

Для соз­да­ва­е­мых БР-4 (БРЕСТ-300, БН-1200, БР-1200) и ТЯР опре­де­лены более высокие тре­бо­ва­ния (отно­си­тельно БР-3 и ДЕМО-ТЯР). Эти тре­бо­ва­ния вклю­чают дли­тель­но­сти топ­лив­ных кам­па­ний 5+ годов, ради­а­ци­он­ные повре­жда­е­мо­сти КМ 200+ сна, повы­ше­ние эко­но­ми­че­ской эффек­тив­но­сти (более эффек­тив­ное исполь­зо­ва­ние топлива, более широкие тем­пе­ра­тур­ные интер­валы экс­плу­а­та­ции), умень­ше­ния уровня ради­а­ци­он­ного воз­действия на окру­жа­ю­щую среду, миними­за­цию коли­че­ства РАО и объёмов работ, свя­зан­ных с дол­го­сроч­ным обра­ще­нием с РАО, исклю­че­ние необ­хо­ди­мо­сти глу­бин­ного геоло­ги­че­ского захо­ро­не­ния ради­о­ак­тив­ных мате­ри­а­лов, меньшие затраты при­род­ных ресур­сов, тех­ноло­ги­че­ское уси­ле­ние прин­ципа нерас­про­стра­не­ния. Обес­пе­чить такие тре­бо­ва­ния можно только МАКМ нового поко­ле­ния (МАКМ-4).

Удо­вле­тво­рить таким тре­бо­ва­ниям всеми видами аусте­нит­ных и фер­ритно-мар­тен­сит­ных сталей, включая их ДУО- моди­фи­ка­ции, про­бле­ма­тично. Необ­хо­дима раз­ра­ботка МАКМ-4 на основе туго­плав­ких метал­лов (пер­спек­тивны мно­го­ком­по­нен­т­ные сплавы ванадия). Опре­де­ля­ю­щее зна­че­ние имеют хлад­нолом­кость и жаро­проч­ность соз­да­ва­е­мых КМ, опре­де­ля­ю­щие дли­тель­но­сти топ­лив­ных кам­па­ний и тем­пе­ра­тур­ные интер­валы экс­плу­а­та­ции реак­то­ров. Наи­бо­лее трудной задачей явля­ется повы­ше­ние жаро­проч­но­сти КМ. Жаро­проч­ность КМ опре­де­ля­ется свойствами мат­рич­ного металла (туго­плав­кость) и твер­до­рас­твор­ными кон­цен­тра­ци­ями мат­рич­ного эле­мента и леги­ру­ю­щих эле­мен­тов. Свойства КМ при низких и высоких тем­пе­ра­ту­рах опре­де­ля­ются и кон­тро­ли­ру­ются раз­лич­ными меха­низ­мами. Факторы проч­но­сти КМ при низких тем­пе­ра­ту­рах могут быть фак­то­рами их разу­проч­не­ния при высоких тем­пе­ра­ту­рах. К опре­де­ля­ю­щему фактору «ком­по­зи­ци­он­ный состав – жаро­проч­ность» в усло­виях реак­тор­ного облу­че­ния доба­в­ля­ется фактор «рав­но­ве­сие (состо­я­ние) микро­струк­туры – жаро­проч­ность». Состо­я­ния (уровни рав­но­вес­но­сти) струк­туры и свойства КМ в усло­виях «до-после» (ква­зи­рав­но­вес­ные состо­я­ния) и «в про­цессе» (дина­ми­че­ские состо­я­ния) облу­че­ния суще­ственно раз­личны. Сохра­не­ние (удер­жа­ние от рас­па­дов) твер­до­рас­твор­ных состо­я­ний КМ-4 явля­ется опре­де­ля­ю­щей мате­ри­а­ло­вед­че­ской задачей. Важной задачей явля­ется необ­хо­ди­мость повы­ше­ния тем­пе­ра­туры рекри­стал­ли­за­ции соз­да­ва­е­мых КМ. 

Обо­с­но­ванно пер­спек­тив­ными МАКМ-4 для БР-4 и ТЯР явля­ются жаро­проч­ные и с умень­шен­ной (прак­ти­че­ски пода­в­лен­ной) хлад­нолом­ко­стью нано­струк­ту­ри­ро­ван­ные мно­го­ком­по­нен­т­ные сплавы ванадия системы V-Cr-W-Ta-Zr-С-О с оптими­зи­ро­ван­ной кон­цен­тра­цией ком­по­зи­ци­он­ных соста­вов (леги­ру­ю­щих эле­мен­тов, O, C, N). Мировой кон­ку­рен­то­с­по­соб­ный уровень работ по соз­да­нию таких сплавов ванадия имеет Россия (АО «ВНИИНМ», про­мыш­лен­ность). Такие сплавы обо­с­но­ванно без­аль­тер­на­тивны и пер­спек­тивны для круп­но­мас­штаб­ной ядерной и тер­мо­я­дер­ной энер­гетики с реали­за­цией полного зам­кну­того ядер­ного топ­лив­ного цикла, кон­ку­рен­то­с­по­соб­ной эко­но­ми­че­ской эффек­тив­но­стью, суще­ствен­ным умень­ше­нием ради­а­ци­он­ного влияния на окру­жа­ю­щую среду и другими тре­бо­ва­ни­ями. Задача по соз­да­нию мало­ак­ти­ви­ру­е­мых сплавов ванадия нового поко­ле­ния для ТЯР и БР-4 явля­ется обо­с­но­ван­ной и раз­ви­ва­ю­щейся мировой пер­спек­ти­вой. Такой про­гресс неиз­бе­жен.