Формируя Материальный Базис Будущего: Инновации «Росатома»

Автоматизированные ИИ-фабрики для создания передовых материалов, а также биофабрикаторы, способные “печатать” органы из клеток пациента, — эти и другие новаторские разработки, направленные на достижение технологического лидерства, были представлены Алексеем Дубом. В преддверии XII Международного форума «Технопром–2025» первый заместитель директора ЧУ «Наука и инновации» («Росатом») и руководитель федерального проекта «Разработка новых материалов и технологий для перспективных энергетических систем» в рамках нового национального проекта «Новые атомные и энергетические технологии» поделился своим видением будущего.

Роль Федерального Проекта в Технологическом Лидерстве

Алексей Дуб подчеркнул, что Россия активно реализует национальный проект по технологическому лидерству «Новые атомные и энергетические технологии». Его основная цель — закрепить мировое превосходство страны в атомной энергетике в ближайшие пять лет, обеспечив технологический суверенитет и энергетическую безопасность. Главная задача — предоставить каждому гражданину страны доступ к свету, теплу и доступной энергии.

В рамках этого масштабного национального проекта запущено десять федеральных инициатив. Среди них — создание уникальной двухкомпонентной ядерной энергетики с замкнутым топливным циклом, разработка опытно-промышленного термоядерного реактора, проектирование реакторов малой и средней мощности.

Федеральный проект «Разработка новых материалов и технологий для перспективных энергетических систем», возглавляемый Дубом, является ключевым. Он охватывает все остальные проекты, поскольку его успешность напрямую зависит от развития материаловедческой базы для будущей атомной энергетики.

Зачем «Росатому» Новые Материалы?

«Росатом» активно формирует материально-техническую основу для будущей энергетики и промышленности, создавая современные конструкционные материалы для завтрашнего мирного атома. Это включает разработку сплавов для быстрых реакторов IV поколения, которые станут основой замкнутого топливного цикла в ядерной энергетике. Поскольку эти установки будут работать при иных нагрузках, температурах и энергетических спектрах частиц, чем существующие водо-водяные реакторы, возникает острая необходимость в принципиально новых сплавах и композитах. Они должны обладать повышенной устойчивостью к радиации, коррозии, высоким температурам, давлению и механическим воздействиям.

Работы по созданию материальной базы для IV поколения планируется завершить к 2030 году. Параллельно ведутся исследования материалов для термоядерного синтеза, которые позволят перейти от лабораторных прототипов к промышленным образцам. Например, будет создан токамак с реакторными технологиями, что позволит обосновать строительство опытного термоядерного реактора. Здесь требования к материалам ещё более строгие, так как необходимо «зажечь» и удерживать плазму с температурой в миллионы градусов.

Еще одним важным направлением являются малые модульные реакторы, предназначенные для энергоснабжения отдаленных и труднодоступных регионов, таких как Арктика и Дальний Восток. Для них требуется специальная сталь, обеспечивающая высокую прочность при минимальном весе и габаритах. Без этих инновационных материалов будущее энергетики — доступной, безопасной, основанной на возобновляемом мирном атоме и термоядерном синтезе — останется лишь научной фантастикой.

Примеры Разрабатываемых Материалов

Среди множества разрабатываемых материалов можно выделить новые стали феррито-мартенситного и аустенитного классов, никелевые и молибденовые сплавы, а также различные жаропрочные и тугоплавкие композиты. Особое внимание уделяется керамическим системам на основе карбида кремния, высокопрочному углеволокну и высокоэнергетическим магнитам, изготовленным из новых сплавов редкоземельных элементов.

В настоящее время ведется 16 научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР). Цель не ограничивается созданием самих материалов и изделий из них; также планируется организовать полный цикл опытно-промышленных производств — от сырья до готовой продукции.

Жидкосолевой Реактор: Решение Проблемы Ядерных Отходов

Ряд новых материалов разрабатывается специально для жидкосолевого реактора. Его основная задача — обеспечить полную переработку долгоживущих минорных актинидов. Эти изотопы, в первую очередь кюрий, а также нептуний и америций, являются причиной того, что отработавшее ядерное топливо сохраняет радиационную опасность на протяжении тысяч лет, создавая серьезные проблемы с его захоронением и хранением.

Топливом для такой установки станет расплавленная смесь фторидов солей с фторидами минорных актинидов. Одной из целей является достижение режима, при котором реактор не будет требовать плутония. Эта жидкая солевая композиция будет одновременно выполнять функции топлива и теплоносителя.

Для эффективного дожигания минорных актинидов в активной зоне жидкосолевого реактора необходимо достичь значительно более высоких температур, чем в традиционных реакторах. Более того, расплав радиоактивной солевой смеси представляет собой крайне агрессивную среду. Всё это требует создания новых материалов, способных выдерживать такие экстремальные условия, а также разработки технологий дистанционного обслуживания и ремонта.

Эскизный проект реактора был успешно завершен НИКИЭТ (входит в «Росатом») в 2022 году. Сейчас активно проводятся испытания и отработка технических решений для наиболее нагруженных компонентов: корпуса, топливного контура и теплообменного оборудования. Завершение этих работ намечено на 2030 год, после чего начнется строительство реактора на Горно-химическом комбинате в Красноярском крае (входит в дивизион «Экологические решения» госкорпорации «Росатом»).

Применение Материалов «Росатома» за Пределами Энергетики

Перспективы применения материалов, разрабатываемых «Росатомом», простираются далеко за пределы энергетической отрасли. Они востребованы в таких стратегически важных областях, как машиностроение, судостроение, авиация и космос. Например, углеродное волокно с прочностью 7 ГПа, производимое «Росатомом» (и лишь тремя другими предприятиями в мире), уже используется в России для изготовления крыльев среднемагистральных лайнеров МС-21, лопастей ветрогенераторов и хоккейных клюшек.

Показательным примером стала демонстрация хоккейной клюшки из этого материала на Форуме будущих технологий, где Алексей Лихачев, директор «Росатома», и Дмитрий Чернышенко, вице-премьер РФ, вставали на неё, и клюшка успешно выдержала их общий вес.

Другой пример — опытный карбид кремния, который может применяться не только для оболочек твэлов, но и в камерах сгорания, ракетных турбинах, а также в любой другой технике, функционирующей при температурах свыше 1,5 тыс. градусов Цельсия.

Эти разработки будут полезны любой отрасли, стремящейся к повышению эффективности. Возможность использования материалов при более высоких давлениях и температурах позволяет создавать двигатели меньшего размера с большей энергоотдачей. Более прочные и долговечные материалы увеличивают срок службы изделий, снижают износ и эксплуатационные расходы. Материалы, способные выдерживать значительные нагрузки, менее подвержены неконтролируемым реакциям, что существенно повышает безопасность на производстве.

Вызовы и Ускорение Разработок

Главным системным вызовом для создателей новых материалов является борьба со временем: материалы для энергетики будущего необходимы уже сейчас, поскольку это будущее наступает стремительно. При этом атомная отрасль отличается консервативностью и предъявляет строжайшие требования к надежности и безопасности всех процессов и оборудования. Это может приводить к тому, что разработка и внедрение новых материалов растягиваются на десятилетия.

Поэтому критически важную роль играет ускорение процесса разработки. Этому посвящено целое направление в рамках федерального проекта. Например, разрабатываются новые технологии и нормативные методики, основанные на концепции цифровых двойников. Благодаря им, вместо многолетних экспериментов можно будет создавать цифровые модели, физически моделировать процессы на ускорителях вместо разрушающих испытаний в реакторах. Это позволит «заглядывать» внутрь смоделированной структуры и мгновенно предсказывать поведение материала через 30 лет эксплуатации. Комплекс таких методик дает возможность проверять надежность материалов за один-три месяца, а не годы.

Прорывные Разработки: Автоматизированный Синтез Материалов

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

Во-первых, создается специализированное оборудование для синтеза новых материалов — сплавов, композитов, керамических систем — с заданными параметрами.

Во-вторых, разрабатывается программное обеспечение на основе искусственного интеллекта. ИИ будет самостоятельно определять состав и структуру перспективных материалов, управлять их синтезом, анализировать свойства полученных образцов и при необходимости оптимизировать рецептуру.

Запуск такого аппаратно-программного комплекса позволит сократить сроки создания новых материалов с нескольких лет до считанных месяцев.

Базы Данных Свойств Материалов и Аддитивные Технологии

Фундаментом для инструментов цифрового материаловедения служат обширные базы данных свойств материалов, которые постоянно пополняются. Эти данные позволяют моделировать новые материалы, прогнозировать их параметры и поведение в различных условиях.

На сегодняшний день такие базы содержат тысячи результатов экспериментов, включая исследования электропроводности жидких металлов, поведения дейтериевой плазмы при давлении 60 млн атмосфер, скорости коррозии сплавов в ионизирующем излучении, а также беспламенного сжигания водорода.

Недавно была завершена комплексная база свойств материалов, полученных с помощью селективного лазерного плавления — одной из аддитивных технологий. Она включает более 60 критически важных характеристик сплавов, сталей, металлопорошковых композиций: их составы, свойства, технологии изготовления заготовок, методы постобработки и контроля качества. В базе также содержатся результаты испытаний и унифицированные аддитивные методики для стандартизации процессов.

Использование этой базы позволит ученым избегать дополнительных исследований и расчетов, делая накопленный опыт доступным для всей отрасли. Специалисты из различных учреждений смогут оперативно обмениваться данными, что значительно ускорит проектирование и изготовление деталей — до 3–5 раз. Применение базы не ограничивается атомной отраслью, она найдет широкое распространение везде, где требуется создание сложных металлических изделий.

Преимущества Аддитивных Технологий

Аддитивные технологии сегодня являются ключевым инструментом для ускорения разработки и производства новых изделий не только в атомной, но и во всех наукоемких отраслях. Более того, они выступают драйвером развития промышленности в целом. Эти технологии расширяют возможности, позволяя отходить от классических конструкций и находить нестандартные решения для сложных инженерных задач. Это критически важно в условиях, когда российской промышленности предстоит в кратчайшие сроки освоить новейшие технологии и добиться технологического суверенитета и лидерства.

Свойства материалов, полученных аддитивными методами, не только не уступают, но в ряде случаев превосходят характеристики материалов, произведенных традиционными способами. Кроме того, 3D-печать обеспечивает меньший разброс свойств от образца к образцу.

Вклад «Росатома» в Развитие Аддитивных Технологий

Атомная отрасль выступает локомотивом в развитии аддитивных технологий. В рамках отраслевого интегратора и федерального проекта была успешно решена задача по созданию аддитивного производства «Росатома», и сегодня эти технологии активно применяются более чем в 30 организациях и предприятиях госкорпорации.

Были разработаны установки для печати конструкций из металлов, полимеров и керамических материалов, способные создавать изделия любой геометрии и габаритов до нескольких метров. В будущем планируется печать корпусов малых модульных реакторов целиком. В общей сложности разработано оборудование для трехмерной печати, использующее восемь различных аддитивных технологий — от стереолитографии фотополимерной пастой до различных методов электро- и плазменно-дугового выращивания, с размерами от единиц микрон до 2–4 метров.

Все эти технологии к 2030 году достигнут уровня серийного производства и, несомненно, найдут широкое применение во многих отраслях за пределами атомной энергетики, которые также активно осваивают аддитивные методы.

Биопечать Органов: Шаг в Будущее Медицины

«Росатом» не ограничивается только материалами для энергетики. Совместно с Сеченовским университетом и ФНКЦ физико-химической медицины ФМБА удалось вырастить функциональные кровеносные сосуды длиной до нескольких сантиметров. Этот процесс происходит в специально разработанном биофабрикаторе, который объединяет функции магнитоакустического биопринтера и биореактора. В качестве «чернил» для биопечати используется клеточный материал самого пациента, который получают путем соскоба слизистой, из жировой ткани или крови.

В этом году один такой биофабрикатор был установлен в МИФИ, где при поддержке «Росатома» открылась лаборатория регенеративных технологий и тканевой инженерии. Здесь будут готовить специалистов по аддитивным технологиям в медицине, а практические навыки студенты смогут оттачивать на предприятиях атомной отрасли.

В долгосрочной перспективе планируется выращивание в биофабрикаторах сложных органов, таких как почки, печень, щитовидная железа. Однако пока основное внимание уделяется получению сложных сосудистых структур. Для этого, в частности, разрабатывается специальное программное обеспечение, которое позволит формировать искусственные сосуды по цифровой модели, созданной на основе снимков КТ или МРТ.

Что касается испытаний таких имплантов на людях, то пока активно нарабатывается успешный опыт на животных. На Форуме будущих технологий президенту страны был продемонстрирован кролик с имплантированным участком бедренной артерии, который, по словам Алексея Лихачева, чувствует себя хорошо. Переход к имплантации изделий людям ожидается в ближайшие годы, возможно, клинические испытания начнутся уже через год-полтора.

Пополнение Таблицы Менделеева: В Поисках Островов Стабильности

«Росатом» совместно с Объединенным институтом ядерных исследований в Дубне ведет работы по пополнению таблицы Менделеева новыми элементами. Благодаря усилиям института в 2016 году таблица уже пополнилась четырьмя элементами, вплоть до 118-го (оганессона). Теперь задача состоит в получении 119-го и 120-го элементов.

Эта работа важна по нескольким причинам. Во-первых, она расширяет фундаментальные представления об устройстве материального мира. Во-вторых, может принести и вполне прикладные результаты.

Известно, что новые элементы обычно отличаются все меньшей стабильностью; так, начиная с московия (115-й), время существования их атомов измеряется миллисекундами. Однако теория атомного ядра предсказывает существование так называемых «островов стабильности» — областей, где некоторые атомные номера могут обладать значительно более долгим сроком существования атомов, до миллиардов лет. Одним из таких стабильных элементов потенциально может оказаться 120-й элемент.

Осуществить синтез этого элемента планируется к концу текущего десятилетия. Если эти ожидания оправдаются, это станет значительным прорывом в фундаментальной науке и может открыть новые горизонты для прикладных исследований.