«Мы формируем материальный базис будущего»

Кто и как создает новые материалы для мирного атома

Автоматическая ИИ-фабрика научится «генерировать» принципиально новые материалы для энергетики и промышленности завтрашнего дня. Органы для трансплантации будут «печатать» в биофабрикаторах из клеток самих пациентов. Об этих и других разработках технологического лидерства «Ъ-Науке» в преддверии XII Международного форума «Технопром–2025» рассказал руководитель федерального проекта «Разработка новых материалов и технологий для перспективных энергетических систем» нового национального проекта «Новые атомные и энергетические технологии», первый заместитель директора частного учреждения «Наука и инновации» («Росатом») Алексей Дуб.

Первый заместитель директора частного учреждения «Наука и инновации» («Росатом») Алексей Дуб

Первый заместитель директора частного учреждения «Наука и инновации» («Росатом») Алексей Дуб

Фото: Пресс-служба «Росатома»

Первый заместитель директора частного учреждения «Наука и инновации» («Росатом») Алексей Дуб

Фото: Пресс-служба «Росатома»

— Какова роль федерального проекта, которым вы руководите?

— Наша страна сегодня реализует национальный проект технологического лидерства «Новые атомные и энергетические технологии». Он призван уже в ближайшие пять лет закрепить мировое лидерство России в атомной энергетике, обеспечить наш технологический суверенитет и энергетическую безопасность. Самая главная цель — чтобы у каждого жителя страны дома был свет, тепло, доступная энергия.

Для этого внутри нацпроекта реализуются десять федеральных проектов. В том числе, создается не имеющая аналогов в мире двухкомпонентная ядерная энергетика с замкнутым топливным циклом, разрабатывается опытно-промышленный термоядерный реактор, проектируются реакторы малой и средней мощности и многое другое.

Один из этих федпроектов — «Разработка новых материалов и технологий для перспективных энергетических систем». Он сквозной, то есть от его результатов зависит успех практически всех остальных, ведь он посвящен развитию материаловедческой базы для всей будущей атомной энергетики.

— Зачем «Росатом» работает над новыми материалами?

— Мы формируем материальный базис будущего нашей энергетики и промышленности, разрабатываем новые конструкционные материалы для мирного атома завтрашнего дня. В том числе для быстрых реакторов IV поколения, которые обеспечат замыкание топливного цикла в ядерной энергетике. Энергетический спектр частиц в активных зонах этих установок и температуры будут другими, чем в привычных водо-водяных реакторах. Это создает другие нагрузки, поэтому требуются принципиально новые сплавы и композиты с повышенной стойкостью к радиации, коррозии, температурам, давлению, механическим нагрузкам.

Материальную базу для IV поколения закончим к 2030 году, но одновременно с этим ведется работа над материалами и для термоядерного синтеза. Они обеспечат переход от лабораторных установок к опытно-промышленным образцам. Например, будет создан токамак с реакторными технологиями, на котором предполагается обосновать создание опытного термоядерного реактора. Тут требования к материалам еще жестче, ведь речь идет о «зажигании» и удержании плазмы с температурой в миллионы градусов.

Другой пример — малые модульные реакторы, которые позволят обеспечить энергией удаленные и труднодоступные территории, Арктику и Дальний Восток. Для таких установок требуется особая сталь, которая бы обеспечивала высокие прочностные характеристики при малом весе и габаритах изделия.

Словом, без новых материалов энергетика будущего, общедоступная, безопасная, с возобновляемым мирным атомом и термоядерным синтезом, так и останется научной фантастикой.

— Можете привести примеры материалов, которые сейчас находятся в разработке?

— Их у нас много. Это, например, новые стали феррито-мартенситного и аустенитного классов, никелевые и молибденовые сплавы, различные жаропрочные и тугоплавкие материалы, керамические системы на базе карбида кремния, высокопрочное углеволокно, высокоэнергетические магниты из новых сплавов редкоземельных элементов.

Всего ведем 16 НИОКР. Задача создать не только сами материалы и изделия на их основе, но и организовать опытно-промышленные производства полного цикла — от сырья до готовых изделий.

— Целый ряд новых материалов создается для жидкосолевого реактора. Какую задачу он будет выполнять?

— В нем будет реализована полная переработка долгоживущих минорных актинидов. Это изотопы, прежде всего кюрия, а также нептуния и америция, из-за которых радиационная опасность отработавшего ядерного топлива сохраняется тысячи лет, а его захоронение и хранение представляет проблему.

Топливом для такой энергоустановки станет расплавленная смесь из фторидов солей с фторидами смеси минорных актинидов, одной из целей работы является достичь режима, чтобы реактор не требовал плутония. Такая топливная композиция в форме жидкого солевого расплава одновременно послужит и теплоносителем.

Чтобы дожигать минорные актиниды, в активной зоне жидкосолевого реактора будут создаваться гораздо более высокие температуры, чем в традиционных реакторах. Не говоря о том, что расплав из радиоактивной солевой смеси — среда крайне агрессивная. Все это требует новых материалов, способных выдерживать такие условия, а также технологий дистанционного обслуживания и ремонта.

— На каком этапе эта работа?

— Эскизный проект реактора завершили в НИКИЭТ (входит в «Росатом») в 2022-м, сейчас мы отрабатываем и испытываем различные технические решения самых нагруженных элементов: корпуса, топливного контура, теплообменного оборудования. Работы завершим к 2030 году, тогда же начнется сооружение реактора в Красноярском крае на Горно-химическом комбинате (входит в дивизион «Экологические решения» госкорпорации «Росатом»).

— Что можно сказать о перспективах применения материалов, разрабатываемых в «Росатоме», за пределами энергетики?

— Они очень широки, как и список стратегических отраслей, где новые материалы могут применяться,— это машиностроение, судостроение, авиация, космос. Например, наше углеродное волокно имеет прочность 7 ГПа, кроме нас такое производят всего три предприятия в двух странах мира. Из него в России уже изготавливают крыло среднемагистрального лайнера МС-21, лопасти ветрогенераторов, хоккейные клюшки.

Одну такую клюшку, кстати, показывали на Форуме будущих технологий в феврале этого года — Алексей Евгеньевич (Лихачев, директор «Росатома».— «Ъ-Наука») с Дмитрием Николаевичем (Чернышенко, вице-премьер РФ.— «Ъ-Наука») на нее становились, их общий вес она выдержала.

Или опытный карбид кремния — он может использоваться не только для оболочки ТВЭЛов, но и для камер сгорания, ракетных турбин, да и вообще любой техники, где идет работа при температуре свыше 1,5 тыс. градусов.

Наши разработки будут полезны любой отрасли, которой требуется повышать эффективность. Раз материал можно использовать при более высоких давлениях и температурах, значит, тот же двигатель из него можно сделать меньшего размера, но с более высоким энерговыходом. Чем прочнее и долговечнее материал, тем выше срок службы изделия, тем ниже его износ и соответствующие издержки. Материал, способный выдерживать большие нагрузки, меньше подвержен неконтролируемым реакциям, которые приводят к авариям, что повышает безопасность на предприятии.

— Какие вызовы встречают создатели новых материалов?

— Самый большой системный вызов — состязание со временем: материалы для энергетики завтрашнего дня нужны прямо сейчас, ведь это завтра уже стремительно наступает. При этом наша отрасль одна из самых консервативных, у нас жесточайшие требования к надежности и безопасности всех процессов и оборудования. Это означает, что разработка и внедрение новых материалов для нее может растягиваться на десятилетия.

Поэтому критическую роль играет ускорение разработки новых материалов. Этому посвящен большой пласт работ, целое направление в рамках федпроекта. Например, мы разрабатываем новые технологии и нормативные методики, ориентированные на цифровые двойники. Благодаря им вместо проведения многолетних экспериментов мы сможем строить цифровые модели, вместо разрушающих испытаний в реакторах физически моделировать процессы на ускорителях, а также заглядывать внутрь смоделированной структуры и сразу видеть, как материал поведет себя через 30 лет эксплуатации. Совокупность таких методик позволяет проверять надежность материалов за один-три месяца, а не годы.

— Что можете рассказать о свежих разработках в этом направлении?

— Прорывом станет автоматизированный синтез новых конструкционных материалов. Эта технология позволит создавать и тестировать до десяти уникальных составов конструкционных материалов в сутки, что на порядки быстрее обычных методов.

Во-первых, для этого мы создаем оборудование, в котором можно будет проводить синтез новых материалов — сплавов, композитов, керамических систем — с заданными параметрами.

Во-вторых, мы разрабатываем программное обеспечение на основе искусственного интеллекта, который будет самостоятельно задавать состав и структуру перспективных материалов, управлять их синтезом, затем анализировать свойства полученных образцов и при необходимости улучшать рецептуру.

Запустив такой аппаратно-программный комплекс, мы сократим сроки создания новых материалов с нескольких лет до считаных месяцев.

— Важную роль в разработке новых материалов играют представления о свойствах материи — вам приходится их пополнять?

— Фундамент работы инструментов цифрового материаловедения — базы данных свойств материалов, которые мы накапливаем. Они и позволяют моделировать новые материалы, прогнозировать, какими параметрами те или иные вещества будут обладать, как поведут себя в различных условиях.

Сегодня такие базы насчитывают тысячи результатов экспериментов и постоянно пополняются. Эксперименты самые разные, постоянно изобретаются новые — мы изучаем электропроводность жидких металлов, поведение дейтериевой плазмы под давлением в 60 млн атмосфер, скорость коррозии сплавов в ионизирующем излучении, различные способы беспламенного сжигания водорода и многое другое.

Совсем недавно завершили формирование комплексной базы свойств материалов, полученных с помощью одной из аддитивных технологий — селективным лазерным плавлением. В ней более 60 критически важных характеристик сплавов, сталей, металлопорошковых композиций: составы и свойства, технологии изготовления заготовок, методы постобработки и контроля качества изделий. В ней же — результаты испытаний, унифицированные аддитивные методики для стандартизации процессов.

Пользуясь этой базой, ученые смогут не проводить дополнительные исследования и расчеты, весь накопленный опыт становится доступен целой отрасли — специалисты из разных учреждений могут быстро обмениваться данными и результатами работ. Проектирование и изготовление необходимых деталей становится гораздо быстрее — экономия времени на подбор материалов составляет до 3–5 раз. Применяться база может не только в нашей отрасли, но вообще везде, где требуется изготовление сложных изделий из металла.

2025 году на выставке «Металлообработка» «Росатом» представил первый
российский серийный 3D-принтер по технологии селективного лазерного сплавления
для крупногабаритной печати металлом — RusMelt 600M

2025 году на выставке «Металлообработка» «Росатом» представил первый российский серийный 3D-принтер по технологии селективного лазерного сплавления для крупногабаритной печати металлом — RusMelt 600M

Фото: Пресс-служба «Росатома»

2025 году на выставке «Металлообработка» «Росатом» представил первый российский серийный 3D-принтер по технологии селективного лазерного сплавления для крупногабаритной печати металлом — RusMelt 600M

Фото: Пресс-служба «Росатома»

— Вы упомянули аддитивные технологии — в чем заключаются их преимущества?

— Сегодня это ключевой инструмент для ускорения разработки и производства новых изделий не только для атомной, но и для всех наукоемких отраслей. Даже шире — я бы сказал, это драйвер развития промышленности в целом. Они расширяют возможности, позволяют отступать от классических конструкций, находить нестандартные решения сложных инженерных задач. А это критически важно, учитывая, что российской промышленности предстоит в кратчайшие сроки перейти на новейшие технологии, добиться технологического суверенитета и лидерства.

Свойства материалов, получаемых аддитивными способами, не просто не уступают, а в определенных случаях превосходят характеристики материалов, полученных традиционными способами. А еще благодаря 3D-печати мы, как правило, получаем более узкий разброс свойств от образца к образцу.

— Как «Росатом» способствует развитию аддитивных технологий?

— Атомная отрасль по аддитивным технологиям выступает в роли локомотива. В рамках отраслевого интегратора и федерального проекта успешно решили задачу по созданию аддитивного производства «Росатома», сегодня эти технологии активно применяют более 30 наших организаций и предприятий.

Разработаны установки, печатающие конструкции из металлов, полимеров, керамических материалов, причем любой геометрии и габаритами до нескольких метров. Например, когда-то сможем печатать корпуса малых модульных реакторов целиком. В общей сложности разработано оборудование трехмерной печати по восьми разным аддитивным технологиям — от стереолитографии фотополимерной пастой до различных вариантов электро- и плазменно-дугового выращивания, размерами от единиц микрон до 2–4 метров.

Все они к 2030 году выйдут на уровень серийного производства и, очевидно, найдут широкое применение во множестве отраслей за пределами атомной энергетики, которые также активно осваивают аддитивные технологии.

— В «Росатоме» научились печатать не только металлом и керамикой, но и живыми клетками. На каком этапе эта работа?

— С партнерами из Сеченовского университета и ФНКЦ физико-химической медицины ФМБА мы научились выращивать функциональные кровеносные сосуды длиной до нескольких сантиметров. Происходит это в специально разработанной для этих целей установке — биофабрикаторе, который объединил в себе функции магнитоакустического биопринтера и биореактора. «Чернилами» для биопечати служит клеточный материал пациента — получаем его соскобом слизистой, из жировой ткани либо из крови.

В этом году один биофабрикатор установили в МИФИ, где при нашей поддержке открылась лаборатория регенеративных технологий и тканевой инженерии. Там будут готовить специалистов по аддитивным технологиям в медицине, практиковаться ребята смогут на предприятиях атомной отрасли.

В перспективе идет речь о выращивании в биофабрикаторах сложных органов — как почка, печень, щитовидная железа и так далее,— но пока что работаем над получением сложных сосудистых структур. Для этого в том числе разрабатываем специальное программное обеспечение, которое позволит формировать искусственные сосуды по цифровой модели, которую можно будет построить по снимкам КТ или МРТ.

— Далеко ли до испытаний таких имплантов на людях?

— Пока что мы нарабатываем успешный опыт на животных.

На том же Форуме будущих технологий в феврале президенту страны демонстрировали кролика с имплантированным участком бедренной артерии. Алексей Евгеньевич (Лихачев, директор «Росатома».— «Ъ-Наука») тогда отметил, что кролик «достаточно упитан», а Владимир Владимирович (Путин, президент РФ.— «Ъ-Наука») предложил продолжить научную карьеру зверя отправкой на Марс. В такую экспедицию мы кролика пока не отправили, но чувствует он себя по-прежнему хорошо.

Что до имплантации наших изделий людям — речь идет о горизонте ближайших лет. Возможно, начнем проводить такие операции в рамках клинических испытаний уже через год-полтора.

— «Росатом» планирует пополнить таблицу Менделеева новыми элементами. Зачем это нужно — неужели их в ней недостаточно?

— Эту работу мы ведем совместно с Объединенным институтом ядерных исследований в подмосковной Дубне, усилиями которого в 2016 году периодическая таблица пополнилась в прошлый раз. Тогда в нее вошли сразу четыре элемента, вплоть до 118-го (оганессона). Теперь стоит задача получить 119-й и 120-й элементы.

Нужно это по многим причинам. Во-первых, работа в этом направлении расширяет фундаментальные представления об устройстве материального мира. Во-вторых, она может дать вполне прикладные результаты.

Как известно, все новые элементы отличаются все меньшей стабильностью — так, начиная с московия (115-й) срок существования их атомов исчисляется в миллисекундах. Однако теория атомного ядра предсказывает существование «островов стабильности»: некоторые атомные номера будут отличаться долгим сроком существования атомов, до миллиардов лет. Одним из таких элементов может оказаться 120-й.

Осуществить синтез мы надеемся к концу десятилетия. Если ожидания оправдаются, это произведет революцию в фундаментальной науке. А если повезет еще сильнее, изотопам нового стабильного элемента найдется применение в промышленности.

Беседовал Илья Арзуманов