Словосочетание «ядерная контрабанда» редко встретишь в средствах массовой информации. Однако сегодня распространение ядерных материалов серьезно угрожает мировой безопасности. Для предотвращения таких ситуаций мировое сообщество серьезно озаботилось проблемой нераспространения ядерных материалов. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) включило в свой план НИОКР проекты по созданию устройств с использованием устойчивых к подделке уникальных идентификационных признаков, которые могут быть однозначно измерены без нарушения целостности пломбы. В Томском политехническом университете (ТПУ) этим вопросом уже много лет занимается Дмитрий Андреевич Седнев, кандидат технических наук, заведующий лабораторией Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности. Именно ему принадлежит разработка способа идентификации контейнеров с ядерными материалами и отходами по сварному шву. В интервью нашему журналу он рассказал, почему именно сварной шов может быть уникальным и в то же время неподдельным признаком каждого контейнера.
— Дмитрий Андреевич, почему сегодня появилась необходимость в поиске нового способа контроля контейнеров с ядерными материалами?
— Этот вопрос сегодня имеет мировое значение. Его разрешением занимается МАГАТЭ— оно регулярно выпускает новый план развития отрасли нераспространения ядерных материалов. Один из пунктов подобного плана — разработка методов и средств, способных помочь однозначно идентифицировать контейнер или любые другие упаковки с ядерными материалами. Это направление существует, однако сегодня до сих пор не разработаны методы или системы, которые позволили бы нам точно определить, вскрывался такой контейнер с ядерными материалами или нет. На сегодня в области контроля нераспространения ядерных материалов для идентификации упаковок используют системы пломбирования контейнеров, присваивают каждому из них особый идентификационный номер или штрихкод.
Главный недостаток этих способов маркировки состоит в том, что они сделаны людьми, а значит, людьми же могут быть и подделаны. Конечно, сегодня есть множество различных разработок, связанных с поиском подходящего способа для более точного контроля, например контроль по волокнам, способным укладываться случайным образом. Но, как и в случае с вышеназванными системами маркировки и пломбированием, они будут созданы руками человека, а значит, не могут гарантировать абсолютные точность и защищенность.
Моя разработка направлена именно на использование естественных, индивидуальных признаков контейнера для контроля над ним. В данном случае это структура сварного соединения — абсолютно уникальный признак. И в этом его главное преимущество. так как он сможет точно показать, вскрывался контейнер или нет.
— Этот способ подходит для всех упаковок без исключения?
— Он подходит для тех упаковок, которые можно герметизировать. — в этом случае у них будет сварное соединение. Некоторые упаковки, используемые в отрасли сегодня. подразумевают возможность санкционированного вскрытия— для их защиты применяется замковое или болтовое соединение. Сварной шов им просто не нужен, и для этих целей моя разработка, естественно, неприменима. Поэтому круг тех упаковок. которым она подойдет, достаточно ограничен, но этот способ уже решает множество серьезных проблем — не зря этот проект имеет мировое значение. Так. наши близкие соседи в Красноярске уже ввели вторую очередь сухого хранения отработавших ядерных материалов, и в этих упаковках как раз используется метод герметизации путем сварного соединения. Значит, если упаковка будет вскрыта, это можно будет отследить по сварному шву. Думаю, для России такой подход наиболее актуален, потому что за рубежом — например, в США, Европе — контейнеры не всегда герметизируются сварным соединением, поскольку там они используются и для перевозки, и для хранения ядерных материалов. У нас же каждому контейнеру отведена определенная роль, и в двух функциях сразу его не используют. Поэтому в России точно не будет проблемы с тем. что эта разработка может не подойти для наших контейнеров.
— В чем же особенности этих сварных швов?
— Наверное, стоит говорить не об особенностях сварного шва, а о том. что наша методика позволяет снимать особенности конкретного сварного соединения. Она очень чувствительна к крупным отражателям. которые формируются во время сварки. Таким образом, с ее помощью мы можем «снять» уникальную картину сварного соединения — или. как его сегодня называют, отпечаток [fingerprint) контейнера. Методика действительно очень напоминает то. как сегодня распознают отпечатки пальца— такой же уникальный признак человека, как сварной шов у герметизированного контейнера. «Снятие отпечатков» упаковки и сравнение этих результатов с теми, которые уже были получены для этого же контейнера ранее, позволят абсолютно точно определить, что это именно тот самый конкретный контейнер. В этом главное преимущество разработки: если вы вскроете контейнер и затем его перезаварите или даже постараетесь дублировать шов, который был ранее, вы в любом случае сделаете соединение, отличное от прошлого, так как его уникальность формируется естественными процессами и шов невозможно повторить.
— А каким образом формируется «индивидуальность» каждого сварного соединения?
— Герметизация каждого контейнера происходит путем сваривания его крышки с корпусом. Во время сварки происходит стохастическое формирование структуры сварного шва, у каждого из которых, таким образом, будет абсолютно уникальная ориентация зерен. В настоящее время не существует метода, способного дублировать этот признак. Это позволяет нам получить уникальный идентификационный признак упаковки с использованием результатов акустического измерения сварного соединения. Получается, что в процессе сварки формируются некоторые области, которые могут отражать ультразвук благодаря разнонаправленности своих структур. И так как сварные соединения будут иметь разные структуры, то и отражать ультразвук они будут по- разному. Поэтому, когда вы будете просматривать шов с помощью ультразвука, его отражение всегда будет уникальным.
— Можно ли как-то влиять на сам процесс сварки, чтобы сделать шов надежнее?
— В этом нет необходимости, это даже избыточно. Ведь если мы добавим на человеческий палец больше капилляров, он не станет надежнее и сложнее для подделки. То же самое и со сварными швами, и в этом тоже их преимущество — нам не нужно изощряться для того, чтобы сделать шов уникальным или отличным от другого шва. Особенности сварки делают эту работу за нас — абсолютно каждый шов будет уникальным.
— Контролировать сварное соединение можно только ультразвуком или есть еще и другие способы?
— Сварные швы можно контролировать и по- другому, но подобрать к данным типам отражателей какой-нибудь другой способ контроля будет очень трудно. Например, рентген может измерить различие структур швов по плотности — только плотности у них практически равнозначны. Поэтому, пользуясь этим способом, вы не сможете увидеть разницу. Мы пробовали использовать также оптический метод. Он. конечно, очень точный, но когда вы начинаете перемещать контейнер, вы можете ненамеренно повредить сварное соединение, оставить на нем какую-нибудь крошечную царапину, которая тем не менее очень сильно повлияет на структуру шва. И заметить ее с помощью одной лишь оптики будет очень трудно.
Ультразвук же чувствителен к границам раздела сред. Металлу сварных швов свойственны ячеисто-дендритные формы кристаллизации. Подобная форма кристаллизации — признак материала, обеспечивающий множество центров рассеяния, преломления или отражения акустических волн. Но не столь важно, что именно будет происходить с акустическими волнами в этих центрах; важно, что этот процесс покажет вам особенную, неповторимую картинку сварного соединения. Получить эти результаты сегодня мы можем с помощью лабораторной многоканальной ультразвуковой установки, созданной на базе блока ультразвуковой электроники.
— А каким образом осуществляется контроль швов? Вы используете какую-то установку или приборы?
— Это очень сложная система, которая включает в себя сканер с ультразвуковыми преобразователями, позволяющими вам получить рассеянный ультразвук и отраженные эхо-сигналы. Ультразвук в принципе применяется для дефектоскопии: вы пробегаетесь ультразвуком по шву и изучаете полученный результат на предмет дефектов.
К этой системе также присоединяется контролирующий ее компьютер, на котором установлено специальное программное обеспечение. На этом компьютере и происходят обработка и сравнение данных. Остается решить только организационный вопрос: как часто, по истечении какого срока или по чьему запросу контейнер должен быть проверяем ультразвуковой системой. Наконец, проведение такой проверки покажет, происходил ли несанкционированный взлом конкретного контейнера или ему повезло остаться нетронутым.
— Эта система уже где-то применялась?
— Был подобный подход, разработанный для контроля корпусов ракет с ядерными боеголовками. Есть договоры — СНВ-1, СНВ-2, СНВ-3 — о сокращении наступательных вооружений. В рамках этих договоров американцы как раз использовали ультразвук для контроля корпусов. Они выбирали различные зоны у ракет, определяли их как своеобразный идентификатор и «снимали» ультразвуком их структуру. Этот подход был построен на уровне доступных тогда технологий и не отличался большой достоверностью или особой точностью. Результаты контроля обрабатывались способом, совершенно неприменимым к сварным соединениям, ведь у них значительно более мелкие отражатели и структура более сложная для детального анализа, чем у ракетных корпусов.
Метод, который мы разрабатываем в Томском политехническом университете, — это ультразвуковая томография, которая обеспечивает высокую чувствительность к этим сравнительно маленьким отражателям, находящимся в сварном соединении. Мы можем построить данную картинку для сварного соединения. Но раньше это применялось только в военной отрасли, в гражданской — нет.
— А в нашей стране есть такие примеры?
— Нет, был только зарубежный опыт в рамках упомянутых договоров. Других подобных вещей не было.
— Есть вероятность, что технологию все-таки начнут внедрять у нас?
— Думаю, да, потому что у нас в любом случае есть потребность в дефектоскопии сварных соединений. А так как система— я имею в виду аппаратную — всегда остается одной и той же, не нужно вносить изменения в те системы томографии, которые были разработаны. Поэтому вы можете просто использовать полученные данные и с помощью дополнительного программного обеспечения их обрабатывать и производить лечение. А поскольку это не требует больших капиталовложений, думаю, вероятность применения таких систем высока.
— Это разработка только ученых ТПУ?
— В области ультразвуковой томографии у нас изначально была кооперация с немецким Фраунгоферовским институтом неразрушающих методов контроля. Это было историческое событие для университета: ультразвуковой томографией здесь начали заниматься только в 2010 г., когда был выигран грант по Постановлению Правительства РФ № 220, направленному на привлечение ученых с мировым именем, в том числе и наших соотечественников, проживающих за рубежом, в российские вузы, научные учреждения и государственные научные центры. Вместе с учеными, приехавшими к нам по этой программе, мы открыли в ТПУ лабораторию под руководством Михаэля Кренинга — немецкого профессора, 15 лет возглавлявшего этот институт в Германии. Здесь он наладил достаточно тесные связи, и все вместе мы занимались разработкой этой технологии. Сейчас мы уже выходим на самостоятельный уровень: локализация аппаратной части практически завершена, произвели ее почти полную адаптацию и модернизацию. Совсем скоро можно будет начать производить ультразвуковую электронику на базе ТПУ. Программный продукт мы также модернизировали собственными силами.
— Будут ли в дальнейшем произведены какие- то доработки этой системы? Есть ли что-то, что надо пересмотреть?
— Безусловно, такие моменты есть. Они возникают в процессе, то есть вы не можете предугадать, нужно ли вам будет вносить какие-то изменения в ваш проект. Но я думаю, что аппаратная часть нашей системы по большей части завершена, — возможно, будет необходима какая-то доработка ультразвуковых датчиков. Но это касается только процесса получения большего количества информации от сканированного объема. Программное обеспечение этой разработки — не в части томографии, а в части сравнения и идентификации контейнеров — находится в лабораторном состоянии, даже в зачаточном.
Этим вопросом я занимаюсь непосредственно с 2011 г. Это был год, когда я только начал изучать эту тему; в 2012 г. я защитил выпускную квалификационную работу— в ней были проверены самые базовые принципы. Мы брали стандартные приборы, одноканальные ультразвуковые элементы и проводили эксперименты на них. Уже тогда было ясно, что это приведет к чему-то действительно важному, но путь будет нелегким.
В 2013 г. я представлял эту разработку на международной конференции Европейской ассоциации по исследованиям и разработкам в области гарантий нераспространения ядерных материалов (ESARDA). Работа была представлена на одной из профильных секций, а затем из каждой секции выбирали только одну разработку для публикации в журнале ESARDA— единственном профильном журнале. Из множества работ на секции для публикации выбрали мою разработку — так она получила мировое признание.
В 2015 г. я защитил кандидатскую диссертацию, в которой описывался разработанный мной алгоритм сравнения и были проверены различные возможности, как лучше сравнивать швы, какие статистические алгоритмы лучше использовать. Там была предложена также спиральная конструкция датчика. Дело в том, что если вы делаете слишком большую матрицу, то вы получите избыточное количество данных. Для их обработки нужны большие вычислительные мощности— стандартные с ними просто не справятся. Правильнее будет выбрать такое распределение, которое позволит вам сохранить баланс между получаемым количеством данных и той вычислительной мощностью, которая сможет их обработать.
Сейчас же мы работаем в рамках проекта, который был поддержан стипендией президента. Она будет направлена на доработку программного обеспечения, которое мы затем сможем внедрить в лабораторную ультразвуковую установку. По окончании проекта— это должно случиться через три года— мы уже сможем наиболее точно сравнивать получаемые нами результаты. Это можно будет делать как в простом режиме, когда вы получаете обычный график, так и в плоскостном режиме, более сложном, но предоставляющем возможность исследовать трехмерные объекты. Сейчас все это нужно приводить в автоматизированный режим, чтобы в готовом виде предоставить потребителю.
— Проект находит поддержку среди ваших коллег?
— Над этим проектом сегодня работает большая команда. Это сотрудники Международной научно-образовательной лаборатории неразрушающего контроля Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности, к процессу подключаются также наши студенты. Некоторые из них защитили работы, которые описывали результаты проверки оптического слежения за сварными соединениями, — ультразвук, однако, как я уже говорил, показал себя с наилучшей стороны. Разработка действительно находит очень большую поддержку, ее даже приходится внедрять как одну из основных частей в более крупные проекты, разрабатываемые в Томском политехническом университете. ■
Беседовала Дарья Дегтярева
