Целенаправленные работы в области создания наноматериалов и нанотехнологий в атомной отрасли были начаты в середине прошлого столетия, практически одновременно с испытанием первого ядерного оружия в 1949 году.
Только два исторических факта.
В 1965 году в СССР коллективу сотрудников организаций «Минсредмаша» (нынешний Росатом) была присуждена Ленинская премия за выполнение работ, в ходе которых были получены ультрадисперсные порошки, которые нашли применение в промышленных технологиях разделения изотопов урана (работы были начаты в 1950 году).
В 70–80-х годах сотрудники организаций «Минсредмаша» были награждены государственными наградами и премиями, были удостоены почетных званий за создание технологий получения сверхпроводников (работы были поручены в 1962 году академику А.А. Бочвару). Ученые в то время еще не использовали приставку «нано», хотя разработанные технологии были основаны на качественном изменении свойств материалов при переходе к нанометровому размеру.
В настоящее время в ФГУП ВНИИНМ им. академика А.А. Бочвара (более часто нас называют «Бочваровский институт») разрабатываются опытно-промышленные технологии получения функциональных веществ и изделий с использованием нанотехнологий и наноматериалов для ядерной, термоядерной, водородной и обычной энергетики, медицинских препаратов, материалов и изделий для народного хозяйства.
Для объединения научного и производственного потенциала организаций атомной отрасли Приказом руководителя Росатома в 2006 году создан Центр нанотехнологий и наноматериалов Росатома при консолидирующей роли «Бочваровского института». В настоящее время рассматриваются предложения по расширению состава участников Центра с привлечением НИИ смежных отраслей, организаций РАН и ВУЗов, а также коммерческих фирм.
В рамках Федеральной адресной инвестиционной программы Институту на 4 года выделены значительные средства на техническое перевооружение для создания отраслевого центра наноиндустрии. Ниже приведены некоторые примеры научных разработок Института, выполненных в кооперации с предприятиями атомной отрасли и которые доведены до стадии опытно-промышленного и промышленного производства.
Использование добавок нанометрического размера для изготовления ядерного топлива
Одним из условий развития атомной энергетики является снижение удельного потребления природного урана при производстве энергии, что достигается в основном за счет увеличения глубины выгорания ядерного топлива.
Опыт, показал, что для обеспечения глубоких выгораний топлива необходимо создание крупнокристаллических структур ядерных материалов с контролируемой пористостью, удерживающих продукты деления и препятствующих транспорту осколков деления к оболочке тепловыделяющего элемента и ее внутреннего повреждения.
Активация процесса спекания за счет нанодобавок может явиться одним из направлений создания технологий новых видов уран-плутониевых оксидов и нитридов для ядерного топлива быстрой энергетикиКонструкционные материалы, упрочненные оксидами для элементов активных зон перспективных ядерных реакторов
Одним из важнейших направлений достижения конкурентной способности действующих и разрабатываемых реакторов на быстрых нейтронах является достижение выгорания ~ 18-20% т.а. Одной из главных проблем является обеспечение радиационной стойкости материала оболочки при повышенных характеристиках жаропрочности.
Эта проблема решается при использовании нового класса феррито-мартенситных радиационно-стойких сталей, упрочненных частицами оксидов нанометрового размера (ДУО-сталь).
Разработанная в «Бочваровском институте» технология получения ДУО-стали включает: получение гомогенных быстрозакаленных порошков со сферической и чешуйчатой формой методом центробежного распыления расплава
твердофазного легирования матричного материала нанодисперсными оксидами иттрия в высокоэнергетическом аттриторе, компактирование порошков и термомеханическая обработка изделия для создания в матрице стали выделений оксидов иттрия нанометрового масштаба Электронно-микроскопические исследования компактированного методом горячей экструзии образца стали ЭП450 ДУО показали, что сталь имеет ферритную структуру с вытянутыми областями вдоль направления экструзии, состоящими из крупных (30-50 мкм) и мелких (0,5-2 мкм) зерен. Оксиды иттрия расположены, в основном в теле зерна. Размер оксидов внутри зерен составляют 5-10 нмНаноструктурированная ДУО-сталь сохраняет достаточно высокое остаточное удлинение после обработки со степенями деформации до 60%.
В опытно-промышленных условиях были изготовлены изделия (трубы, пластины), дореакторные испытания которых показали многократное, до 8 раз, увеличение параметровк жаропрочности по сравнению со штатной сталью (см. таблицу), начато опробование технологии в заводских условиях.
Для исследовательской техники и бытового применения требуются сверхпрочные и упругие высоко электропроводные материалы.
Ряд современных исследовательских проектов предполагает использование импульсных магнитных полей предельно высокой интенсивности, с индукцией более 50 Тл. Создание сверхвысокопольных импульсных магнитных систем потребовало разработки нового класса обмоточных материалов с уникальным сочетанием высоких прочностных и электропроводящих свойств.
Во ВНИИНМ разработаны технологии нового класса высокопрочных Cu-Nb обмоточных проводов прямоугольного сечения со следующими свойствами: предел прочности 1100-1250 MПa; электропроводность около 70% от меди.Разработаны технические высокопрочные Cu-Nb тонкие провода диаметром от 0,4 мм до 0,05 мм со следующими свойствами: предел прочности 1300-1600 MПa, электропроводность 70-80 % от меди. Показана принципиальная возможность создания контактных проводов нового поколения с существенно более высоким комплексом свойств путем использования наноструктурных компонентов.
Наноструктура в облученных материалах
Интересный эффект, обеспечивающий высокие свойства реакторных материалов, обнаружен в некоторых сплавах. В отличие от обычной деградации свойств реакторных материалов, связанной с появлением хрупкости при радиационном воздействии, облучение этих сплавов приводит к увеличению характеристик прочности при сохранении вязкости при высокодозном облучении.
Образование в твердом растворе наноструктурной подрешетки кластеров ближнего упорядочения – ловушек вакансий и интерстиций с периодом 5-10 нм, соизмеримой с длиной свободного пробега радиационных точечных дефектов является наиболее эффективным способом обеспечения радиационной стойкости.
Сплавы подобного класса уже используются для особо ответственных элементов ядерных реакторов: систем управления реакторов АЭС, конструкционных материалов активных зон транспортных реакторов нового поколения. Обнаруженный эффект исследуется применительно к другим системам, и похоже, что это явление может явиться началом развития нового направления радиационного материаловедения – создание конструкционных материалов, «положительно» реагирующих на фактор радиации.
Нанофильтры
Новым направлением использования развития техники для ультрафильтрации является создание в объеме системы сообщающихся разветвленных каналов, имеющих нерегулярное сечение от микрометрического до нанометрического размера.
Металлические объемные нанофильтры перспективны для использования в системах водоподготовки и очистки теплоносителя реакторов АЭС тепловых труб.
Изделия, изготовленные Бочваровским Институтом уже «летают» в космосе, как элементы системы обеспечения жизнедеятельности космонавтов на МКС, используются в медицинской технике для стерилизации жидкостей, очистке сред в пищевой промышленности.
Бористые нержавеющие стали
Для получения равномерного распределения боридов в стали использован метод сверхбыстрого охлаждения частиц расплава с получением рентгеноаморфной структуры. При последующих переделах образуются выделения боридов нанометрового уровня. Переход к наноструктурным боросодежащим выделениям (от 5 до 100 нм) позволяет увеличить содержание бора в 3-4 раза при сохранении пластичности и свариваемости нержавеющих сталей. Изготовлены тонкостенные трубы из бористых нержавеющих сталей с толщиной стенки несколько десятых долей миллиметра.Нержавеющие бористые стали перспективны для использования в системах управления ядерных реакторов, создания ядерно-безопасного оборудования для обращения с отработавшим ядерным топливом и его переработке.
Сверхпроводящие материалы для термоядерной энергетики
Начавшаяся в 1960-е годы разработка отечественных сверхпроводников является практически единственным примером технологии, изначальной целью которой являлось получение объемных наноструктурированных материалов. Так, только в результате перехода к нанометрическим структурам удалось в несколько раз увеличить токонесущую способность сверхпроводников.
Достижения в области сверхпроводящих материалов хорошо известны у нас в стране и за рубежом. В России по промышленным технологиям, разработанных в Бочваровском Институте, изготовлено более 100 тонн многокилометровых сверхпроводящих нанокомпозитов с размером структурных составляющих 1-50 нм.
Магнитные нанокомпозиты
В настоящее время отечественные производители проявляют повышенный интерес к композитным магнитам, которые обеспечивают повышение уровня технических параметров магнитных систем при одновременном уменьшении их габаритов. Прежде всего, новые магнитные материалы используются в малогабаритных, сверхскоростных электродвигателях и генераторах для авиакосмической, автомобильной и приборостроительной отраслей.
Во ВНИИНМ разработана и запатентована технология получения нанокристаллических магнитных материалов методом центробежного распыления расплава, и создано первое и пока единственное в России их опытно-промышленное производствоНанокристаллические магнитные материалы превосходят известные ферриты бария и стронция по магнитной энергии в 6-8 раз.
Высокие магнитные свойства композитных магнитов достигаются при точном соблюдении фазового состава материала и создании структуры с размером кристаллитов основной магнитной фазы 20-30 нмДля этого используется многоэтапная технология, включающая:
получение слитков исходных сплавов в вакуумных индукционных печах;
центробежное распыление и получение порошков сплавов в аморфном состоянии;
кристаллизационный отжиг и получение порошков с требуемой нанокристаллической структурой.
Магнитные нанокомпозиты перспективны для использования в приборах диагностики состояния элементов конструкций активных зон ядерных реакторов, а также для использования в магнитных подвесах высокоскоростных устройств, используемых в атомной технике.
Современные автомобили АвтоВАЗ с инжекторным двигателем комплектуются регуляторами холостого хода, изготавливаемыми на основе магнитных нанокомпозитов, производимых в «Бочваровском институте».Нанопленочные магниты для сверхплотной записи
В связи с требованием резкого повышения плотности записи информации на магнитных носителях возникла проблема записи информации на новых магнитных средах с высокой коэрцитивностью, достигающей 600-700 кА/м, в которых порог суперпарамагнитного эффекта практически устранен. Однако для таких высококоэрцитивных носителей невозможно использовать существующие индуктивные записывающие головки.
Во ВНИИНМ разрабатывается решение этой проблемы с помощью магнитной системы типа открытой доменной структуры Кителя, на основе постоянных магнитов в виде тонких пленок Fe-Pt, напыленных на подложку из кристаллов кремния и/или сапфира
На линии сопряжения композиционных магнитов возникает сильное магнитное поле, которое локализовано в чрезвычайно узкой области. Так, при толщине магнитной пленки 200 нм, область локализации магнитного поля составит 20 нм. При таких размерах бита информации плотность записи может достигать 1000 Гбит/дюйм2, что в 1000 раз превосходит существующие технологии.
Ведутся также исследования по созданию нанопленочных устройств, производящих мощные магнитные поля наноразмера для использования в микроробототехнике.
Пористые каркасы
Важным направлением является создание пористых нанокаркасов из функциональных материалов с размером ячейки микронного масштаба и толщиной стенки в несколько десятков нанометров. В качестве материалов для построения каркаса используются металлы, интерметаллиды и керамика.
Основными направлениями разработки нанокаркасов являются:
получение сверхпрочных и сверхлегких конструкционных материалов;
создание высокопрочных пористых емкостей для хранения высокоэнергетических веществ, включая водород.
Нанопорошки тантала, ниобия и алюминия
Разработана оригинальная технология получения нанопорошков Ta и Nb для высокоемких конденсаторов, которая по своим показателям превосходит зарубежные технологии. Получены порошки с рекордными электрофизическими свойствами: с удельным зарядом до 150000 мкКл/г.
Заключение
ФГУП ВНИИНМ им. акад. А.А. Бочвара де-факто является ведущей материаловедческой организацией отрасли. Институт имеет возможность и все необходимые условия, в том числе правовые и организационные, для использования объединенного потенциала целого ряда крупных научно-исследовательских и коммерческих организаций.
Также немаловажно, что ФГУП ВНИИНМ, являясь все годы своего существования многопрофильной отраслевой научно-исследовательской организацией, имеет уникальный и богатейший практический опыт в выполнении таких функций, которые неизбежно необходимо развивать в период становления основ отечественной наноиндустрии:
практическое промышленное использование результатов фундаментальных и поисковых исследований и разработок;
коммерциализация технологий и организация серийного производства;
аналитическое и метрологическое сопровождение работ, стандартизация;
экспертиза достигнутых научно-технических результатов и определение потенциала их производства и продажи;
широкое международное научно-техническое сотрудничество в области работ по наноматериалам и нанотехнологиям.
А.В. Путилов - генеральный директор
ФГУП ВНИИНМ им. академика А.А. Бочвара,
главный редактор журнала «Цветные металлы»
