Атомная промышленность — одно из направлений, в которых у России были и остаются лидирующие позиции. Сегодня страна занимает первое место в мире по строительству АЭС за рубежом. Одно из условий сохранения технологических компетенций отрасли — постоянное развитие технологий и материалов, необходимых для атомной энергетики. О том, какие разработки в этом направлении ведет «Росатом», накануне XIII Международного форума технологического развития «Технопром-2026» изданию «Эксперт» рассказал Алексей Дуб, руководитель федерального проекта «Разработка новых материалов и технологий для перспективных энергетических систем» национального проекта «Новые атомные и энергетические технологии», первый заместитель директора частного учреждения «Наука и инновации» («Росатом»).
— Инициатором создания новых материалов атомная промышленность была всегда или это тренд последних лет?
— Атомная промышленность с момента своего зарождения сама разрабатывала необходимые ей материалы — как делящиеся, служащие топливом, так и конструкционные, необходимые для создания реакторов и всего связанного с ними. Изначально было очевидно, что запас надежности должен быть кратно больше, чем в других отраслях, и что ко всем нагрузкам, характерным для энергетики, добавляется радиационная, способная менять свойства материалов с течением времени. Координацией работ по производству конструкционных материалов для энергетики в СССР занималось отдельное ведомство — Министерство энергетического машиностроения. Ему были подчинены специальные заводы.
— Какие именно «материалы будущего» вам нужны, над чем работает «Росатом»?
— Это сплавы и композитные материалы с принципиально новыми свойствами, то есть с повышенной стойкостью к коррозии, высоким температурам, давлению, механическим нагрузкам и, конечно, к радиационному воздействию. Их спектр широк: молибденовые и никелевые сплавы, новые аустенитные и феррито-мартенситные стали, а также целый ряд тугоплавких и жаропрочных соединений. Мы работаем над современными высокоэнергетическими магнитами на базе редкоземельных элементов, углеродным волокном высокой прочности и керамическими волокнами на основе карбида кремния.
— Один из главных материалов для атомной промышленности — сталь. Вы можете объяснить, чем сталь с нужными вами свойствами отличается от той, что используется при создании автомобилей?
— Рассмотрим самое простое — устойчивость к коррозии. Когда кузов автомобиля начинает ржаветь, это первым делом наносит ущерб его эстетике. Если коррозия продолжает развиваться, а на это уходят годы, вы планово меняете автомобиль. В нашей отрасли небольшой очаг коррозии на ответственной детали может привести к аварии. При этом рабочие среды более агрессивны за счет радиации, сложных физико-химических процессов и давления в сотни атмосфер — отсюда требования к чистоте материалов. Содержание отдельных примесей, например серы и фосфора, исчисляется тысячными долями процента. Сталь должна быть прочной, но при этом стойкой к хрупкому разрушению. И таких материалов требуются не килограммы, а сотни тонн на одно изделие.
— Можно привести более конкретный пример?
— Один из перспективных проектов «Росатома» — ВВЭР-СКД, реактор нового, IV поколения, в котором используется вода со сверхкритическими температурой и давлением. Ключевая особенность реактора — давление в первом контуре выше 27,5 МПа, то есть более 270 атмосфер. Для таких условий эксплуатации нужны материалы, способные сохранять высокие прочностные характеристики при одновременно высоких температурах, высоком давлении и радиационных нагрузках в течение всего срока службы изделия — а это 60 лет.
Перед НПО «ЦНИИТМАШ», головной материаловедческой организацией «Росатома», и НИЦ «Курчатовский институт» — ЦНИИ КМ «Прометей» поставили задачу разработать новую корпусную сталь и сталь для внутрикорпусных устройств. Корпусную сталь было решено создать путем усовершенствования базовой корпусной стали марки 15Х2НМФА. Важно отметить, что, кроме состава, важнейшим фактором успеха было обеспечение малого размера зерна металла по всему сечению. Сегодня все необходимые лабораторные и опытно-промышленные испытания материала завершены. Они подтвердили его радиационную стойкость, характеристики длительной прочности и ползучести, а также устойчивость к термическому охрупчиванию. Таким образом, материал уже готов для создания опытных обечаек корпусов новых реакторов и проведения расчетов для самого реактора и его топлива.
При этом важна не только высокая прочность основного металла, но и равнопрочность сварного соединения: разработаны новые составы сварочных материалов и технологии сварки для проекта ВВЭР-СКД, которые обеспечивают достижение одинаковых характеристик основного металла и сварного шва, чтобы в конструкции не возникало слабых мест. И в этом случае решающим фактором является достижение оптимальной мелкозернистой микроструктуры сварного шва.
Еще до завершения реакторных испытаний было понятно, что полученные материалы существенно превосходят по характеристикам не только применяемые сегодня корпусные стали, но и перспективные марки. Для материалов ВВЭР-СКД достигнута категория прочности 65+ при температуре 400 °C, то есть предел текучести превышает 650 МПа. Для сравнения: для другого перспективного проекта — ВВЭР со спектральным регулированием (ВВЭР-С) — корпусная сталь обеспечивает категорию прочности 55 при 350 °C. Чем выше температура, тем сложнее сохранять прочностные характеристики стали, поэтому такие результаты особенно важны.
Следующий этап работы — разработка технологий производства заготовок корпуса реактора и методик оценки ресурса корпусов из новых материалов. После этого предстоят промышленное освоение производства изделий и их аттестация. То есть базовый материал для перспективных реакторов уже создан и испытан, а дальнейшая работа направлена на то, чтобы превратить разработку в промышленную технологию и серийное изделие. Планируется, что ВВЭР-СКД станет серийным изделием после 2040 года — но подготовка к его созданию ведется уже сегодня.
— Роль нашей страны в создании материалов с новыми свойствами была исторически значительной?
— Да, и этому есть четкое объяснение. Например, в отличие от других стран, в СССР действовало требование: всё оборудование для атомной энергетики должно было транспортироваться и, следовательно, умещаться на железнодорожные платформы — страна большая. То есть при стандартной мощности в 1000 МВт наши агрегаты были компактнее, что диктовало более строгие требования к прочности и надежности, а также ресурсу, который изначально был установлен на уровне 30 лет. В действительности после проверки временем мы убедились, что реальный срок службы не ограничивается тремя десятилетиями — ресурс оказался существенно выше. Относительно недавно была решена задача по увеличению проектного ресурса новых реакторов до более чем 60 лет.
— Зачем это нужно? Не устареет ли реактор морально за это время? И как можно увеличить срок его службы?
— С середины прошлого века КПД ядерных энергетических установок изменился, но не принципиально. Так что такой подход экономически оправдан: монтаж и демонтаж подобных конструкций — дело непростое, тем более с учетом географии работы «Росатома» — от Африки до Заполярья. Увеличить срок службы, снизив тем самым стоимость вырабатываемого кВт·ч, можно за счет уменьшения темпов деградации применяемых конструкционных материалов, более точного подбора их состава и повышения чистоты, а также совершенствования сварочных материалов.
Как показала практика, материал сварных швов с годами под воздействием радиации меняет свою структуру и характеристики. В «Росатоме» есть опыт восстановления этой структуры — на Балаковской АЭС был применен так называемый отжиг реактора с целью корректировки распределения охрупчивающих элементов, прежде всего фосфора. Таким образом, задача по увеличению срока службы, поставленная в начале 2000-х годов, сегодня решена. Все вводимые нами в эксплуатацию реакторы имеют срок службы более 60 лет.
— Каким образом вы сегодня, в 2026 году, понимаете, как поведут себя материалы «после 2086 года», то есть через 60 с лишним лет?
— У нас огромный массив накопленных данных. Исследования 1960-х годов — не архивные, а рабочие материалы. У каждого корпуса реактора есть образцы-свидетели. Они сделаны из того же материала, испытывают те же нагрузки, но периодически извлекаются для исследований. В последние годы мы также используем методику ускоренного ионного облучения. Исследование, которое занимает от одного до трех месяцев, позволяет сделать прогноз на 60 и более лет.
— Увеличение срока службы реакторов не потребовало снижения их мощности?
— Нет, потому что одновременно оптимизируется конструкция, уменьшается количество сварных швов в активной зоне, что позволяет увеличивать нейтронную нагрузку. И реактор, который раньше имел мощность 1000 МВт, сегодня работает в режиме мощностью 1200 МВт. Подобные решения позволяют увеличить долю электроэнергии, вырабатываемой в нашей стране за счет АЭС, с нынешних 17% до 25% к 2050 году.
При этом мощность станций будет диверсифицирована. В отдаленных регионах выгоднее построить малую АЭС мощностью 50 МВт, чем доставлять электроэнергию по проводам за тысячи километров с большой станции. Разработана установка средней мощности — 600 МВт, которую планируется построить на Кольской АЭС.
— Зачем атомщикам аддитивные технологии?
— 3D-печать — оптимальный способ создания небольших серий деталей сложной геометрии, например ажурных конструкций с развитой системой охлаждения. Напечатанные детали, как доказано на практике, менее склонны к возникновению температурных напряжений, то есть к тому же служат дольше, чем изготовленные классическим способом, при котором каналы приходится высверливать.
— Вы — в данном случае ученые — даете гарантию на срок, по окончании которого к вам, скорее всего, никто не сможет предъявить претензий. Работа «с вечностью» накладывает отпечаток?
— Я вырос в семье, где решали задачи с горизонтом планирования в десятки лет. Мы ведь не удивляемся, когда видим памятники архитектуры, созданные более 500 лет назад, и гордимся ими. Историческая память, семья, отрасль — все это воспитывает высокий уровень личной ответственности. Отрасль же прошла сложные 1990-е годы, пережила приватизацию, сохранив предприятия, в том числе расположенные на весьма привлекательных участках. И мы продолжаем гордиться нашими отраслевыми государственными научными центрами (ГНЦ), федеральными ядерными центрами и производственными предприятиями, некоторым из которых уже в этом десятилетии исполняется 100 лет. Один из таких ГНЦ я как раз и возглавлял на начальном этапе создания госкорпорации.
— А что с этим учреждением сейчас?
— Всё с ним в порядке. Работает и развивается в структуре «Росатома». Растут семейные династии.
— Какие наиболее острые задачи сегодня стоят перед научным блоком «Росатома»?
— Не только наш научный блок, но и атомная энергетика в целом стоит перед задачей замыкания топливного цикла. Если проще, надо сделать так, чтобы отходы действующих АЭС из материалов, требующих утилизации, превратились в новое топливо. Доля высокоактивных веществ в этих отходах не очень велика — десятые доли процента, но этого достаточно, чтобы они требовали особого обращения. Плутоний — традиционное топливо — выработан, а кюрий должен начать служить. Но для этого нужно создать определенные условия, которые возникают в жидкосолевых реакторах, над которыми работает «Росатом». Однако в них будут возникать совершенно особые виды коррозии материалов. Сами процессы мы изменить не можем, поэтому приходится управлять свойствами новых материалов на всех масштабах — макро-, микро- и наноуровне.
— Задачу, которую вы решаете при создании жидкосолевых реакторов, никто еще в мире не решал? «Подсмотреть» нельзя?
— Нельзя. Как уже много раз бывало в истории атомной энергетики, Россия выступает технологическим лидером. Работающих реакторов такого типа нет, хотя к проблеме подступали многие, начиная с США, а сейчас, конечно, и Китай.
— То, чем вы занимаетесь, относится к фундаментальной науке или к прикладной?
— Мы решаем практические задачи, но, поскольку текущих знаний для этого недостаточно, нужно изучать механизмы. А механизмы — это фундаментальная вещь. Одно двигает другое. И знания — одна из базовых ценностей отрасли.
— У технологий «Росатома» есть экспортный потенциал?
— Безусловно. Российская Федерация занимает лидирующие позиции по строительству атомных электростанций за рубежом. В том числе и потому, что мы обеспечиваем баланс цены, надежности и уникальных решений.
