Георгий Павлович Карзов – Новые материалы для новой эпохи

В современной науке немало областей, в которых приходится иметь дело с экстремальными условиями – немыслимыми давлениями, сверхвысокими и сверхнизкими температурами, радиационным воздействием. С развитием технологий разрушительная сила искусственно созданных очагов подобных воздействий нарастает, а это, в свою очередь, требует и постоянного совершенствования различных материалов, обеспечивающих защиту. Пожалуй, самый мощный удар принимают на себя стенки атомных реакторов, и не случайно материаловедение в атомной отрасли стало самостоятельной областью науки. Об особенностях этого направления и о развитии отрасли мы беседуем с заместителем генерального директора Центрального научно-исследовательского института конструкционных материалов (ЦНИИ КМ «Прометей») по научной работе, начальником научно-производственного комплекса «Материалы и вопросы безопасности энергетических установок» Георгием Павловичем Карзовым.

– Георгий Павлович, мы сегодня говорим про конструкционное материаловедение в атомной отрасли, которое, по сути, выделилось в отдельное направление. Как и когда это произошло?

Толчком послужила потребность в новых материалах для атомных энергетических установок - первой атомной подводной лодки, ледокола, атомной станции. На первоначальном этапе это были не абсолютно новые материалы, а позаимствованные из других областей, в основном из тепловой энергетики. Люди осознавали, что они столкнутся с новыми требованиями, такими как нейтронное излучение, длительные выдержки, ОЯТ, огромные сроки эксплуатации. Мы понимали это, но знаний, для решения этих задач на первоначальных этапах было очень мало. Материалом для первых ядерных реакторов для атомных подводных лодок, например, послужила пушечная сталь, разработанная еще в начале прошлого века. И по сей день из нее делают стволы корабельных орудий. Конечно, быстро пришло понимание, что материалы из других областей не подходят. И даже самая прочная сталь, из которой делались орудийные стволы, не подходит для атомного реактора. Началась работа над принципиально новыми материалами. Первая такая сталь, обладающая специфическими необходимыми свойствами была создана у нас, в ЦНИИ КМ «Прометей».

- В чем уникальность требований, предъявляемых к материалам в атомной отрасли?

- Это очень важный вопрос! В сущности, это гвоздь атомного материаловедения. Ни в одной области деятельности человечества не выдвигаются такие специфические требования к материалам, как в атомной промышленности, особенно к материалам для атомного реактора.

Прежде всего - воздействие нейтронов. Они бомбардируют материал, выбивают атомы материала и деформируют кристаллическую решетку, наносят определенные повреждения. Одновременно с этим нейтроны, которые проходят через металлическую стенку реактора, меняют энергетическое состояние этого металла, т.е. возбужденность его структуры (это не научный термин, но так будет более понятно) уже соответствует не реальной температуре протекающего процесса, а температуре на 200⁰ C выше. Значит, происходят диффузионные процессы, возникают повреждения в кристаллической решетке, меняется тонкая структура металла. Такого не бывает в других отраслях.

Второе – долгий срок эксплуатации материала. Самолет можно заменить, а атомный ректор быстро поменять нельзя. Сначала были требования срока службы в 30 лет; естественно, 30 лет промелькнули как один год. Сейчас требования к сроку службы реакторов установлены в 60–80 лет, скоро мы придем к столетнему сроку эксплуатации. Наша задача - создавать материалы, обладающие настолько высокой стабильностью свойств, чтобы при этих серьезных воздействиях они сохраняли необходимые функциональные качества, не подвергаясь разрушению в течение всего срока службы.

- Существуют ли области деятельности человека, где применяются схожие требования к материалам?

Существуют отрасли, где требования к материалам очень жесткие. Вот, например, тепловая энергетика. Здесь так же, как и в атомной энергетике, материалы должны быть долговечны, устойчивы к высоким температурам, но нет воздействия нейтронного излучения. Или авиация, особенно если речь идет о моторах: сроки службы намного меньше, но присутствуют серьезнейшие нагрузки и температуры. В судостроении также высочайшие требования к материалам, несмотря на отсутствие высоких температур: корабли не ходят по расплавленному свинцу. Но в судостроении очень серьезные требования к сопротивляемости циклическим воздействиям. Ведь что такое волны? Волны – это циклы нагрузки на материал. И, если в атомной отрасли мы говорим о десятках тысяч циклов, в авиастроении о сотнях тысяч, то в судостроении - о миллиардах циклов. Вот возьмем такой пример: есть дефект металла в 5 мм. За 10 тыс. циклов этот дефект вырастает, скажем, на 10 мм. В реакторе я этот дефект, может быть, даже и не замечу - ну что такое дефект в 5 мм? В конце срока службы он станет 6 мм. В самолетостроении дефект будет увеличиваться согласно графику: за каждые 10 тыс. циклов не менее чем 1,0 мм. Я уже не смогу с ним не считаться, он будет вызывать опасения, т.к. через 100 тыс. циклов он достигнет 15,0 мм и может оказывать влияние на прочность конструкции. А в судостроении, на буровых платформах и в мостостроении из-за громаднейшего количества циклов исходный дефект в 5 мм может в процессе эксплуатации привести к полному разрушению элемента конструкции, следовательно, к катастрофическим последствиям, в связи с чем в этих отраслях техники разрабатываются свои комплексы мер по предотвращению такого явления.

Кесарю - кесарево

- В атомной промышленности конструкционные материалы выполняют различные функции: одни задействованы в реакторах, другие – в сопутствующих элементах, третьи – для отработанного топлива. Насколько различаются требования для этих типов материалов?

- Парадоксально, но факт: требования к материалам, выполняющим различные функции, отличаются ровно настолько, насколько это нужно. То, что допустимо для материала контейнера под ядерное топливо, совершенно неприемлемо для атомного реактора, потому что в реакторе уровень облучения выше, цикличность больше - другие условия эксплуатации. А если мы возьмем внутрикорпусные устройства в самом реакторе, то воздействие нейтронов на стенку внутрикорпусных элементов на три порядка больше, чем на стенку корпуса реактора.

Диапазон предлагаемых обстоятельств для разных конструкций диктует, соответственно, и наше отношение к материалу, к его созданию, к его свойствам и, что более важно, к анализу его возможного поведения.

Рассмотрим всем известный реактор ВВЭР-1000. В районе его активной зоны есть один из элементов внутрикорпусных конструкций - «выгородка». На нее приходится до 150-180 СНА (число смещений на атом – мера радиационного повреждения, смещение атомов кристаллической структуры из их регулярных положений и перемещение атомов под действием нейтронного излучения), а в материалах корпуса атомного реактора - менее 1 СНА. Что это значит? Это означает, что для корпуса атомного ректора подходит высокопрочная толстая перлитная сталь, а для внутрикорпусных устройств нам нужна нержавеющая хромоникелевая сталь, которая себя замечательно ведет в воде первого контура и более устойчива к нейтронной бомбардировке. И вдруг через 30 лет мы начинаем замечать на нержавеющей стали коррозионные трещины, несмотря на то что в воде первого контура нет кислорода. В чем причина коррозионного разрушения? Как оно зародилось? Так мы приходим к пониманию совершенно других механизмов, вызывающих повреждения. Требования атомной энергетической отрасли позволяют нам окунуться в море неизведанного, и наша задача – хотя бы на шаг опережать возникающие обстоятельства, чтобы справиться с ними с помощью научного анализа. К величайшему сожалению, пока это не всегда удается.

Есть помимо физико-химических и прочностных требований к материалу такое его свойство, как технологичность. С материалом же надо работать. Допустим, есть какой-то материал с потрясающими стойкостными и долговечными свойствами. Но я не могу из него сделать реактор, потому что я не могу сделать из него большую поковку (обработанный ковкой блок металла), получить требуемые размеры. Приведу пример: водо-водяной реактор на быстрых нейтронах со сверхкритическими параметрами воды. Сейчас перед нами стоит проблема, связанная с СКД-реактором – там температура воды составляет около 600⁰ С, а давление - 220-240 атм. Нужно создать огромный сосуд, который будет это все выдерживать. Одно из решений – «запереть» воду высокой температуры внутри объема реактора так, чтобы она не попадала к границам корпуса. Тогда я могу применить примерно такую же сталь, что и для обычных реакторов. Но могу пойти и по другому пути. Существует хромистая сталь, содержащая 12% хрома, которая по своим параметрам при температуре 570-600⁰ С спокойно обеспечит нужные мне характеристики. Но беда в том, что еще никому в мире не удалось получить поковку из этой стали свыше 50 т. А нам надо 300 т. Отличный материал, но технологических возможностей для его использования пока нет. Получается, что близок локоть, да не укусишь. Решение этой проблемы - одна из важных задач материаловедения на ближайший период. И второй важнейший вопрос в разрезе применения материалов для разных задач – это возможность на выходе получить объект, соответствующий поставленным задачам. А объект состоит из разных частей, для соединения которых, как правило, иногда нужно использовать сварку, но не забудьте, что каждую часть еще надо изготовить. В процессе изготовления эти части проходят целый ряд технологических операций, и при этом материал должен выстоять, пройти через эти операции, включая сварку, и не разрушиться.

Эволюция или революция?

- За полвека существования атомного материаловедения произошли ли какие-либо прорывные открытия, качественно изменившие отрасль?

- Базовое требование отрасли – приоритет безопасности. Безопасность определяется прежде всего объемом знаний о материале или предмете, который мы с вами имеем или используем. И, допустим, просто сесть, закрыть глаза и придумать какой-либо материал с уникальными свойствами в атомной энергетике не получится – он не будет соответствовать нормам безопасности. Поэтому в данной области задача разработать что-то новое, ранее неизвестное человечеству разбивается о требования по безопасности и эксплуатационной надежности. Это с одной стороны.

С другой стороны, вот появляются новые задачи: например, создать космический атомный реактор. В таком объекте помимо собственно реактора есть еще турбина. В процессе работы в турбине возникают сверхвысокие температуры. Чтобы она не разрушилась, тепло надо отводить. А теплоотводящей среды в космосе нет в принципе. Можно пойти по конструкционному пути – усложнить конструкцию, сделать искусственный теплосъем. А если использовать жаростойкие материалы, например керамику? Этот материал выдерживает 1300-1400⁰ С. Но существующие виды керамики могут разрушиться под воздействием нейтронного излучения, да и сам материал очень хрупкий. Значит, надо идти по пути расширения спектра применения керамики, решить задачу по созданию нового материала: керамики, устойчивой к воздействию радиации, более пластичной, способной выдерживать высокие температуры. И кто первым придет к созданию такого материала, тот станет лидером в данной области. А «побочным эффектом» будет возможность использовать керамику в различных технологических производственных процессах в областях, не связанных с атомной отраслью. Это будет прорывом. И я очень надеюсь, что следующее поколение достигнет успеха. Моя мечта – сделать керамическую турбину для космического ядерного двигателя и создать композитный или керамический корпус газового атомного реактора.

К сожалению, у нашего государства слишком прагматичная позиция, когда речь идет о выделении финансирования на фундаментальную науку, в связи с чем нам трудно не отстать от наших конкурентов в Америке, Франции и Японии.

Но в целом материаловедение – это эволюционная наука, а не революционная.

– То есть процесс направлен не в сторону открытия чего-то нового, а в сторону совершенствования того, что уже существует и используется?

- Это не совсем так, ведь развитие любой отрасли техники невозможно без создания чего-то нового, в том числе и материалов. Просто в атомной энергетике в связи с доминантным требованием обеспечения безопасности работы появление чего-то нового невозможно без глубокого обобщения и анализа уже пройденного пути.

Например, в 2013 г. мы (я, Я.И. Штромбах и А.В. Дуб), получили Государственную премию РФ в области науки за создание нового класса высокорадиационностойких материалов для корпусов атомных реакторов и методов продления сроков их эксплуатации. Фактически мы сделали новую сталь. Но если разобраться, то эта сталь стала итогом развития всего цикла исследований, начиная с 1953 г. Все это время мы совершенствовали материалы, получали новые знания, данные, параметры. Это длительный цикл исследовательских работ. Появление нового материала – вершина пирамиды, а фундаментом этой пирамиды служат десятки или даже сотни материалов и компонентов, которые наши ученые изобретали и получали в течение 60 лет.

Другое дело, что новый материал имеет наилучшие показатели по радиационной стойкости, прочности в больших сечениях, стабильности при длительных тепловых выдержках и другим параметрам, что открывает для нас новые возможности и позволяет отвечать на новые вызовы. Но без той фундаментально-практической базы мы бы не смогли ничего получить сейчас. Я даже на вручении у президента процитировал Ньютона: «Мы стояли на плечах гигантов!»Наша разработка основана на труде трех поколений исследователей, инженеров, испытателей. И если бы этих поколений не было, то никакого прорывного в качественном плане результата мы бы не получили.

Конечно, у нас есть стремление к революционному скачку, но нашей доминантой была, есть и будет эволюция.

- Имеют ли достижения атомного материаловедения какое-нибудь применение в быту? В промышленности?

- Конечно. Развитие информационных технологий, всеобщий доступ к информации позволяют использовать достижения атомной промышленности в различных сферах и областях. Правда, не все так просто. Новые знания нужно уметь и иметь возможность применять, т.к. существуют сложности технологического свойства.

Показательный пример: наша хромомолибденованадиевая сталь для атомных реакторов сейчас применяется практически для всех ректоров нефтехимии. Из нее делают сосуды для реакторов гидрокрекинга. Мы впервые создали титан как конструкционный материал, а теперь он используется практически повсеместно. Таких примеров можно привести много.

Можно сказать, что мы как бы возвращаем долги, поскольку вначале атомная энергетика заимствовала материалы из других областей, а теперь предоставляет новые решения и материалы для этих же областей.

- «Росатом» – лидер в области атомного материаловедения. Сумеет ли корпорация сохранить за собой лидерство? Или возможна какая-нибудь кооперация для укрепления позиций?

- Во-первых, «Росатом» – это крупнейший потребитель сложных композиционных материалов. Но далеко не все материалы создаются в атомной отрасли. Они часто разрабатываются по инициативе атомной промышленности в других областях, в частности в нашем институте ЦНИИ КМ «Прометей», и здесь очень важно, чтобы чиновники «Росатома» понимали полезность и необходимость таких контактов для эффективного развития атомной отрасли и не блокировали, а всячески поддерживали их.

Во-вторых, следует отметить, что в атомной отрасли исторически сложился абсолютно другой уровень коллективного мышления, заложенный еще отцами-основателями отрасли. И если этот уровень сохранится (а он пока сохраняется), то мы всегда будем лидерами - и в материаловедении в том числе.

Беседовал Виктор Фридман