Нанотехнология в атомной отрасли и будущее атомных городов

Неоспорима перспективность нанотехнологий в развитии космических технологий. Нанотехнологии позволят повысить степень безопасности работы в космосе, создать новые виды топлива, покрытий, конструкционных материалов, «умной» одежды, электронных систем обеспечения жизнедеятельности, которые будут эффективнее, устойчивее, легче и обладать способностью диагностики и ликвидации неисправностей.

Таковы перспективы наноразработок в мире. И эти  перспективы вполне могут стать реальными и у  нас в России.

Я уверена, что уже в ближайшем  будущем на высококонкурентном мировом  рынке инновационных  нанотехнологий российские предприятия атомной отрасли будут занимать достойное место.

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы.

1. Ч.Пул-мл, Ф.Оуэнс «Мир нанотехнологий и наноматериалов»//Техносфера, М. 2007 г.
2. Вестник Атомпрома №8, 2008 г. 
   Вестник Атомпрома № 3, 2008 г.
3. http://www.nanoportal.ru/
4. http://www.rusnanonet.ru/   Российская национальная нанотехнологическая сеть
5. электронное издание «Наука и технологии России»
6. http://www.nanonewsnet.ru/    Сайт о нанотехнологиях №1 в России
7. http://www.nanometer.ru/news Нанометр. Нанотехнологическое сообщество
8. http://nanoru.ru/ Российский электронный наножурнал «Российские нанотехнологии»
9. http://nanoreview.ru/ Нано Ревю. Обозрение в сфере нанотехнологий
10. http://www.rosenergoatom.ru/ Официальный сайт «Концерн Энергоатом»
11. http://www.chipnews.ru  Новости Микроэлектроники
12. http://atomic-energy.ru
13. http://www.vniief.ru Российский федеральный ядерный центр
14. http://www.energospace.ru Энергетическое пространство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ТЕРМИНЫ, СОКРАЩЕНИЯ

 

 

Нанотехнология - совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется наноструктурой, т.е. её упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм (10^-9м; атомы, молекулы) Греческое слово "нанос" примерно означает "гном". При уменьшении размера частиц до 100-10 nm и менее, свойства материалов (механические, каталитические и т.д.) существенно изменяются.

.

ИЯИ РАН- институт ядерных исследований Российской академии наук

КТ-  компьютерный рентгеновский  томограф

Международный проект ИТЭР- проект международного экспериментального                  

                                                          термоядерного реактора

ОЯТ- отработанное ядерное топливо

ПЭТ- позитронно- эмиссионный томограф

ПЭТ изотопы - производство изотопов для позитронно - эмиссионных томографов

РАО- радиоактивные отходы

РОСНАНО- Российская корпорация нанотехнологий

РФП - радиофармпрепараты

РХБ защита- радиационная, химическая , биологическая защита

СВЧ излучение- сверх высокочастотное  излучение

УЭХК- уральский электрохимический  комбинат

УОМЗ- уральский оптико-механический завод

 

Приложение 2

Разработки  ФГУП ВНИИНМ в области

нанотехнологий  и наноматериалов

 

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.  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.

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 энергетики (рис. 1, 2).

Рис.1. Стандартная микроструктура (а) и микроструктура ядерного топлива, полученная с использованием нанодобавок (б)

 

Конструкционные 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 (рис. 2), 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 (рис. 3).

 

Рис.2. Сферические, диаметром 40-200 мкм (а) и чешуйчатые, толщина 1-5 мкм (б) порошки феррито-мартенситной стали.

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 нм (рис.3).

Рис.3. Нано- и макро структура ДУО-стали.

Наноструктурированная 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.

Т, °С	σ, МПа	Тип материала	Время до разрушения, ч
650	140	по ТУ	392
		ДУО	нет разрушений образцов, испытания остановлены после 3000
700	120	по ТУ	2,3
		ДУО	187

 

Сверхпрочные  и высоко-электропроводные материалы

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.

На рис. 4,5 приведены примеры  электропроводного нанокомпозитного медно-ниобиевого провода, полученного  методом глубокой пластической деформации. Нанокомпозит имеет прочность стали, при электропроводности близкой  к меди.

Рис.4. Микроструктура композита Cu-Nb, полученного глубокой пластической деформацией.

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.

Рис.5. Сечения разработанных обмоточных микрокомпозиционных Cu-Nb проводов крупного сечения (размеры сечений от 2х3 мм до 4х6 мм; длина 100-200м) для импульсных магнитных систем.

На рис 6. Показано место новых  наноструктурных электропроводных композитов по отношению к другим известным проводящим материалам.

Рис.6. Сравнение характеристик различных проводников.

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.

На рис. 7 приведена структура  сплава Ni-Cr-Мо после обработки, имитирующей  действие реакторного облучения. Исходное гомогенное состояние превратилось в упорядоченную структуру из новых фаз с периодом в несколько нанометров.

Рис.7. Структура сплава Ni-Cr-Мо, после  обработки, имитирующей действие реакторного  облучения.

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. (рис.8)

Нержавеющие бористые стали перспективны для использования в системах управления ядерных реакторов, создания ядерно-безопасного оборудования для обращения с отработавшим ядерным топливом и его переработке.

Рис.8. Нержавеющие бористые нанокомпозиты: а – особо тонкостенные изделия  из бористой стали; б – обычная  сталь; c – нанокомпозитная сталь.

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.

Структура сверхпроводящих проводов показана на рис. 9.

Рис.9. Nb-Ti сверхпроводник, произведенный  в количестве более 100 т. Диаметр провода 0,85 мм, размер волокон – 6 мкм, размер выделений титана в волокнах – 10-50 нм: а – провод; б – микроструктура.