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.