Наноматериалы в ядерной энергетике

Наноматериалы в ядерной энергетике

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Иркутский государственный технический университет»

ФТИ

Кафедра квантовой физики и нанотехнологий

ОТЧЁТ

о прохождении учебной практики

Студента гр. НМб 12-1 Эндерс П.С.

Руководитель практики от кафедры

Скорникова. С. А.

Иркутск 2013

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ НА УЧЕБНУЮ ПРАКТИКУ

студента Эндерс Павла Сергеевича

группы НМб 12 - 1 курса первого

специальность Нанотехнологии и микросистемная техника.

. Индивидуальное задание по практике (производственной, преддипломной):

.1. содержание задания Подготовить реферат на тему «НАНОМАТЕРИАЛЫ В ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ»

_____________________________________________________________

.2. краткие указания к выполнению задания Подготовить презентацию для защиты реферата по

теме «НАНОМАТЕРИАЛЫ В ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ»

.3. материал к отчету об исполнении задания (графический, расчетный, иллюстративный) ________________________________________

Руководитель практики от кафедры

_____________________________

Согласовано:

Заведующий кафедрой

_______________ / ________________ /

(подпись) ФИО

«____»______________________20___г.

Содержание

Введение

Ядерное топливо с нанометрическими добавками

Дисперсно-упрочненные оксидами (ДУО) ферритно-мартенситные стали Нанодисперсные ДУО-стали

Нанокаркасы и пористая нанокерамика

Наномембраны и нанофильтры

Сверхпрочные и высоко-электропроводные материалы

Сверхпроводящие наноструктурированные материалы для термоядерной энергетики

Магнитные нанокомпозиты

Наноматериалы в системах безопасности

Заключение

Список литературы

наноматериал нанокерамика ядерный сталь

Введение

Области применения нанотехнологий в атомной энергетике весьма многообразны и охватывают практически весь круг проблем ядерного топливного цикла и создаваемого термоядерного цикла:

Создание нового высокоплотного ядерного топлива с нанодобавками, топливных композиций для тепловыделяющих сборок активной зоны АЭС. Создание нового класса смешанного уран-плутониевого оксидного топлива - МОКС, - от термина «MOX» - mixed oxides. Освоение торий-уранового цикла - наукоемкая задача, требующая применения высоких технологий.

Создание нанодисперсных материалов конструкционного и функционального назначения. Циркониевые сплавы для ТВЭЛов. Дисперсно-упрочненные оксидами (ДУО) ферритно-мартенситные стали или нанодисперсные ДУО-стали. Исследование стабильности систем, имеющих наномасштабные особенности, особаястабильность нанокластеров в ДУО-сталях.

Исследование и разработка материалов для быстрых реакторов и будущих реакторов 4-ого поколения.

Исследование радиационно-индуцированной микроструктуры. Микроструктурные предсказания возможностипродления срока эксплуатации реакторов: корпуса (охрупчивание), внутрикорпусные стали (распухание).

Разработка и производство быстрозакаленных сплавов-припоев для высокотемпературной безфлюсовой (вакуумной) пайки сплавов циркония, коррозионно-стойких сталей, переходников сталь-цирконий и сталь-титан и других разнородных материалов, обеспечивающих заданный уровень радиационной и коррозионной стойкости паяных соединений.

Наномембраны и нанофильтры для технологий обращения с ОЯТ и РАО, керамические материалы для дожигания радиолитического водорода.

Разработка метрологического обеспечения использования конструкционных и функциональных устройств на основе наноматериалов для ядерных установок.

Мультимасштабное моделирование наноструктур, материалов и процессов.

Нанодатчики и наносенсоры для ФЗ и АСУ ТП АЭС. Новые возможности для повышения в десятки раз тактико-технических характеристик систем безопасности и охраны АЭС

Исследование и разработка материалов будущих термоядерных реакторов. Наноструктурированные материалы бланкета и первой стенки ТЯР.

Наноструктурные сверхпроводники (низко- и высокотемпературные сверхпроводники) для магнитов ИТЭР.

При реализации указанных проблем разрабатываются опытно-промышленные технологии получения

функциональных веществ и изделий с использованием нанотехнологий и наноматериалов для ядерной, термоядерной, водородной и обычной энергетики, медицинских препаратов. Рассмотрим некоторые результаты исследования и разработок наноструктурных материалов в ядерной энергетике.

Ядерное топливо с нанометрическими добавками

Энергетическая стратегия предусматривает постепенный ввод новых ядерных энерготехнологий на быстрых нейтронах с замыканием ядерного топливного цикла с МОКС - топливом. Дальнейшее развитие атомной энергетики требует включения в структуру мощностей АЭС быстрых реакторов. Из всех типов быстрых реакторов промышленно освоенными на сегодня являются реакторы с натриевым теплоносителем (БН). Примером таких реакторов является реактор БН-600 на Белоярской АЭС, работающий с 1980 года. Предусматривается строительство и пуск в эксплуатацию в 2012 г. 4-го

энергоблока Белоярской АЭС с реактором БН-800, создание производства МОКС - топлива и реализация замкнутого топливного цикла на базе этого реактора.

Одним из условий повышения эффективности работы АЭС является увеличение глубины выгорания ядерного топлива. Для обеспечения глубоких выгораний топлива необходимо создание крупнокристаллических структур ядерного топлива с контролируемой пористостью. Крупнокристаллические структуры ядерного топлива удерживают газообразные и летучие продукты деления, препятствуют транспорту осколков деления по границам зерен к оболочке тепловыделяющего элемента, в результате чего существенно снижается повреждаемость оболочки тепловыделяющего элемента.

Для достижения крупнокристаллического состояния при прессовании топливной керамики (UO2, (U,Pu)O2, (U, Pu)N) в нее добавляют ультрадисперсный порошок UO2 с размерами нанокристаллитов ~40 нм. В результате температура спекания топливной керамики снижается на ~ 200 градусов, повышается плотность керамики и увеличивается размер зерна до 35÷40 мкм без ухудшения других характеристик. Активация процесса спекания за счет нанодобавок может явиться одним из направлений создания технологий новых видов уранплутониевых оксидов и нитридов для ядерного топлива быстрой энергетики.

Такими направлениями являются модифицирование ядерного топлива, создание сложного карбонитридаUZrCN, легированного наноалмазом, доработка и модернизация проекта пилотного завода по изготовлению МОКС - топлива для БН-800; разработка модели формирования твердых структур на границе расплава реакторных материалов; исследование взаимодействия прототипов расплавленных материалов

активной зоны с корпусом реактора, механизм взрыва жидкометаллических капель, крупномасштабное моделирование материалов активной зоны (АЗ). Парадокс использования ультрадисперсных добавок при изготовлении топливнойкерамики состоит в использовании нанодобавок для получения структуры, близкой к монокристаллической.

Дисперсно-упрочненные оксидами (ДУО) ферритно-мартенситные стали. Нанодисперсные ДУО-стали

Увеличение эффективности работы и срока службы перспективных реакторов на быстрых нейтронах требует, прежде всего, повышения степени выгорания топлива до 18-20% без снижения параметров теплоносителя. Решение этих проблем неразрывно связано с разработкой радиационно-стойких конструкционных материалов, способных работать в активной зоне реакторов на быстрых нейтронах (Е > 0,1 МэВ) при флюенсах до 2·1016 нейтр./(см2с) до повреждающих доз 160…180 сна при температурах 370...710 С. Основными факторами,определяющими радиационную стойкость конструкционных материалов реакторов на быстрых нейтронах, являются: радиационное распухание, радиационная ползучесть, высоко- и низкотемпературное радиационное охрупчивание, а также радиационная стабильность структуры и свойств материала в поле нейтронного облучения. Подобные проблемы существуют при создании радиационно-стойких конструкционных материалов для первой стенки и бланкета международного термоядерного реактора - ИТЭР. При решении этой проблемы возникает необходимость создания нового класса радиационно-стойких металлических материалов, упрочненных наночастицами оксидов металлов. Эти материалы должны удовлетворять таким требованиям:

иметь низкую ползучесть при температурах до 970 К и стабильность размеров, долговечность ~9лет

обладать высокой радиационной стойкостью к нейтронному облучению. Доза облучения: ~250 сна;

обеспечить радиационную стойкость материала оболочки при повышенных характеристиках жаропрочности;

обладать высоким сопротивлением коррозии по отношению к теплоносителям при повышенных температурах и химическую совместимость с топливом;

в контакте с топливом и потоком натрия иметь высокую химическую совместимость

Один из путей решения данной проблемы - это создание и использование нового класса ферритно-мартенситных радиационно-стойких сталей, упрочненных частицами оксидов нанометрового размера (ДУО-стали), обладающими при этом высокими прочностными и механическими свойствами. Этот путь лежит в глобальном направлении создания конструкционных материалов, упрочненных высодисперсными неметаллическим частицами (наночастицами) и предназначенными для элементов активных зон перспективных ядерных реакторов. Данное направление интенсивно развивается в странах, имеющих развитую инфраструктуру ядерной энергетики (Россия, США, Япония, Китай, Франция, Украина) .

Основные результаты более ранних исследований дисперсно-упрочненной ферритной стали и разработанных порошковых ферритных сталей (на основе базовой стали Х13 для всего класса ферритных нержавеющих сталей) после упрочнения высокодисперсными оксидами приводят к следующему выводу. При всех условиях облучения (в ускорителе тяжелых ионов, в реакторах ВВР-М и БН-600) охрупчивания материала не наблюдается. При флюенсе 2,6х1023 нейтр./см2 распухание материала составляет 0,25%, остаточная пластичность 3…4%. Коррозионная стойкость дисперсно-упрочненных сталей в жидком литии, эвтектике литийсвинец, в парах цезия и теллура равна или несколько выше таковой лучших из промышленных сталей реакторного назначения. Сталь обладает достаточно высокой жаропрочностью при 970 К, высокой радиационной и коррозионной стойкостью в жидкометаллических средах и продуктах деления. Несмотря на приведенные факты, порошковая технология не обеспечивает достаточной гомогенности изделий.

В последние годы в России разработан ряд ДУО ферритномартенситных сталей для ядерных реакторов на быстрых нейтронах, в том числе и на основе стали ЭП-450 (Fe-13Cr-2Mo-Nb-V-B-O,12C), которая используется в качестве штатного материала тепловыделяющих сборок реактора БН-600.

Разработана новая технология получения ДУО-стали, которая включает: получение гомогенных быстрозакаленных порошков со сферической или чешуйчатой формой методом центробежного распыления расплава, твердофазное легирование матричного материала нанодисперсными оксидами иттрия в высокоэнергетическом аттриторе, компактирование порошков и термомеханическую обработку изделия. Эти процедуры способствуют созданию в матрице стали выделений оксидов иттрия нанометрового масштаба. Для получения быстрозакаленных порошков путем диспергирования расплава методом центробежного распыления выбрана технологическая схема получения ДУО ферритно-мартенситных сталей на основе стали ЭП-450. Центробежным распылением расплава получали порошки двух типов.

Порошки со сферической формой частиц при кристаллизации в свободном полете в атмосфере камеры. Структура поверхности материала сферического порошка мелкозернистая и однородная.

Порошки с чешуйчатой формой частиц, получаемой при кристаллизации порошка на медном экране. На поверхности чешуйчатого порошка прослеживается зернистость и вытянутость зерен вдоль направления теплоотвода. В обоих случаях при распылении сталей изменений химического состава не происходит. Используемые оксиды иттрия в исходном состоянии представляли собой агломераты размером несколько микрометров. На рисунке показана структура отдельно взятого агломерата. Видно, что он состоит из отдельных кристаллитов, размер которых находится в интервале 40...80 нм. Показано, что наноструктурированная сталь сохраняет достаточно высокое остаточное удлинение после холодной деформации на 60%.

Некоторые результаты высокотемпературных испытаний сталей ЭП-450 и ЭП-450 ДУО представлены в таблице 1.

Сталь ЭП450 ДУО имеет ферритную структуру с вытянутыми областями вдоль направления экструзии (рис.12а), состоящими из крупных (30-50 мкм) и мелких (0,5-2 мкм) зерен. Термическая ползучесть стали ЭП-450 ДУО при температурах 650-700ºС значительно ниже по сравнению с обычной сталью.

Таблица 1. Результаты испытаний сталей ЭП-450 и ЭП-450 ДУО

В опытно-промышленных условиях были изготовлены изделия (трубные заготовки, тонкостенные трубы и пластинчатые образцы), дореакторные испытания которых показали многократное, до 8-10 раз, увеличение временных характеристик жаропрочности и высокую радиационную стойкость по сравнению со штатной сталью. Начато опробование технологии производства изделий в заводских условиях.

Наилучшие характеристики по сопротивлению ползучести достигаются при образовании максимального количества равномерно распределенных нанокластеров размером 1-2 нм. Эти частицы распределены с высокой плотностью в объеме материала стали.

На рисунке показано изменение распределения частиц Y2O3 по размерам для различных вариантов дополнительного легирования сталей с 12% Cr + 0,25% Y2O3 добавками переходных металлов Ti, Nb, V Zr. Видно, что добавки титана и циркония в наибольшей степени способствуют измельчению частиц Y2O3.

С учетом полученных результатов в России разработана долговременная (до 2015 г.) программа работ по ДУО-сталям с перспективой изготовления на их основе ТВЭЛов для реактора БН-600. В Японии проведены предварительные исследования жаропрочных свойств и радиационной стойкости высокохромистых ДУО-сталей с содержанием 0,37% мас. нанооксидных частиц Y2O3 с размерами ~5 нм.

Видно, что предел прочности ДУО-сталей при 700ºС более чем в два раза выше стали с обычной структурой, а предел длительной прочности при 700ºС за10000 часов составляет 120 МПа. На рис. 16 приведены сравнительные зависимости распухания от повреждающей дозы для различных сталей, применяемых в реакторостроении. Видно, что использование сталей ДУО (ODS) класса имеет значительные перспективы.

Образование в твердом растворе наноструктурной подрешетки кластеров ближнегоупорядочения - ловушек вакансий и интерстиций с периодом 5-10 нм, соизмеримой с длиной свободного пробега радиационных точечных дефектов является наиболее эффективным способом обеспечения радиационной стойкости. Этот 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. 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.

Результаты исследования радиационного воздействия не показали проявления охрупчивания у ДУО-сталей после облучения.

Микроструктурные исследования ДУО-сталей после радиационного воздействия показали, что облучение приводит к гетерогенному распределению дислокационных петель и повышению их плотности. С увеличением дозы облучения уменьшаются плотность и размер оксидных включений, увеличивается их растворимость в матрице.

ДУО-стали, содержащие 9Cr, после идентичных коррозионных испытаний по сравнению со стандартной ферритной сталью NF616 (содержащей 9Cr) демонстрируют формирование оксидной пленки с отличной от исходной стали, структурной морфологией и другим механизмом роста оксида, который образуется на поверхности стали с мелкозернистой структурой. Наиболее резким отличием является формирование достаточно толстого оксидного слоя для ДУО-стали (слой 2), связанного с сверхмелкозернистой структурой стали. Для окисленной ДУО-стали полоски оксида, обогащенные иттрием и хромом, были сформированы по границам зерен и расположены во внутреннем окисном слое (слой 3). На рис.19а цифрой 1 обозначена граница между верхним поверхностным слоем толщиной до 2 мкм и средним слоем толщиной от 2 до 12 мкм, цифрой 2- граница между средним слоем и внутренним слоем оксидной пленки, 3 - граница между оксидной пленкой и поверхностью стали. Значительное понижение плотности пленки при увеличении времени выдержки вызывается истощением содержания железа в диапазоне толщин пленки 12-20 мкм, что является результатом роста вакансий и пор во внешнем (FeCr)3O4 слое (рисунок б). Слой, формирующийся на исходной стали NF616, является более плотным с меньшей пористостью, чем на 9Cr ДУО - стали. Прирост веса при коррозии для ДУО-стали меньше, чем для стали NF616. Повышенное коррозионное сопротивление 9Cr ДУО - стали может быть результатом действия иттрия, как барьера для диффузии катионов вдоль границы оксид/металл.

На рис.20 показаны структура и состав окисных/матричных границ, зависящих от размера частицы Y4Al2O9 для сталей Super ODS. Некогерентные частицы укрупняются гораздо быстрее из-за более высокой граничной энергии, приводящей к изменениям силы стоков, которые поглощают точечные дефекты и пузырьки гелия. Крупное выделение (размером > 15 нм) характеризуется некогерентной границей с матрицей, связанной со сферической оболочкой.

Роль нанооксидных частиц в процессах коррозии сталей и основные механизмы влияния нанооксидных частиц на свойства ДУО-сталей характеризуются следующими важными факторами:- нанооксидные частицы способствуют более однородному формированию и равномерному распределению исходных оксидов Cr2O3 или Al2О3 в оксидном слое на сталях, что увеличивает коррозионную стойкостьсталей типа Super ODS;

нанооксидные частицы подавляют фазовый распад, что тормозит эффекты охрупчивания в результатестарения;

нанооксидные частицы затормаживают движение дислокаций и подавляют каналирование дислокаций, что приводит к упрочнению ДУО-сталей и более высокой жаропрочностиза счет присутствия в структуре термически стабильных оксидов размером 3-5 нм.

В результате увеличивается сопротивление коррозии, повышаются высокотемпературная прочность и радиационная стойкость сталей.

Примером успешной разработки так-же являются 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 до100 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.21). Нержавеющие бористые стали перспективны для использования в системах управления ядерных реакторов, создания ядерно-безопасного оборудования для обращения с отработавшим ядерным топливом и его переработке.

Новым направлением в нанотехнологии конструкционных материалов ядерной энергетики является не так давно разработанная технология высокотемпературной пайки быстрозакаленными припоями (БЗП), которая позволяет использовать в производстве конструктивных элементов активной зоны ядерных реакторов дисперсно-упрочненные сплавы и разнородные композиции материалов [36]. Обоснование внедрения пайки БЗП основана на известных проблемах сварных соединений: в местах сварки происходит наводороживание, нодулярная коррозия и щелевая коррозия, возможны непровары, проплавления и низкая жесткость. Под сварку требуется определенная контактной площадь, что ограничивает возможность изменения формы, необходим отжиг для снятия напряжений от сварки, приводящий к рекристаллизации и разрушению. Пайка быстрозакаленными припоями - это диффузионное соединение материалов через прослойку, уменьшающую температуру и время создания соединения. Технология пайки с использованием БЗП дает возможность бороться за увеличение ресурса конструкций в активной зоне при следующих преимуществах: узкий (прогнозируемый) температурный интервал плавления; равномерное плавлениеприпоя по объему; хорошая растекаемость и смачиваемость поверхности; высокая капиллярная активность припоя; высокая диффузионная активность компонентов; точно воспроизводимые рабочие характеристики зоны пайки (ширина, состав).

На основе нанотехнологических представлений разработана методика жидкофазного поверхностного легирования материалов с помощью концентрированных потоков энергии (рис. 22).

Показано, что при разработке новых коррозионно-стойких сталей с защитными покрытиями зффективным является модифицирование поверхностных слоев с применением концентрированных потоков энергии (импульсные электронные пучки, потоки плазмы). Эта методика использована для поверхностного легирования фрагментов ТВЭЛьных труб потоками импульсной плазмы (рис.23).

Основными преимуществами обработки потоками импульсной плазмы является одновременное использование рабочего вещества плазмы как средства для нагрева и легирования; возможность финишной обработки относительно больших (до 0,1 м2) площадей поверхности или готовых изделий за короткий промежуток времени (несколько импульсов длительностью 10 - 60 мкс); возможность одновременной всесторонней обработки поверхности изделий цилиндрической формы. Основные недостатки: недостаточная изученность процессов, происходящих при взаимодействии потоков импульсной плазмы с твердым телом; трудности в управлении потоком плазмы в имеющихся в настоящее время ускорителях. Схема поверхностного легирования ТВЭЛьных труб приведена на рисунке.

Поверхностное легирование сталей включает: предварительную очистку поверхности труб слабым импульсом ВТИП; далее - нанесение тонких (0,2…1,3 мкм) однородных слоев легирующих элементов (алюминия, иодидного хрома и сплава на основе силумина) толщиной Zm - Z am на внешнюю поверхность трубки; далее -промежуточный вакуумный отжиг для диффузионного сцепления покрытия и подложки; далее - жидкофазное перемешивание покрытия с материалом поверхности трубки под воздействием потоков импульсной плазмы. Результаты поверхностного легирования приведены в табл.2. Поверхностный слой после ВТИП близкий к нанокристаллическому.

Таблица 2. Результаты поверхностного легирования стальных труб

Обработка потоками импульсной плазмы повышает в 3-10 раз коррозионную стойкость сталей при испытаниях на межкристаллитную коррозию в потоке жидкого свинца и при взаимодействии с парами имитаторов продуктов деления ядерного топлива.

Обработка потоками импульсной плазмы и метод поверхностного легирования с использованием плазменной обработки, перспективны для повышения коррозионной стойкости хромистых сталей в потоке жидкого свинца, при температуре, соответствующей рабочим температурам ТВЭЛьных трубок в быстрых реакторах.

Энергетическая стратегия предусматривает постепенный ввод новой ядерной энерготехнологии на быстрых нейтронах с замыканием ядерного топливного цикла с МОКС - топливом. Дальнейшее развитие атомной энергетики потребует включения в структуру мощностей АЭС быстрых реакторов.

На сегодняшний день, использование аустенитной стали ЧС68 (06Х16Н15М2Г2ТФР) для оболочек твэлов и ферритно-мартенситной стали ЭП450 (1Х13М2БФР) в качестве чехлов обеспечили работоспособность ТВС в реакторе БН-600 до повреждающей дозы 83 с.н.а. и выгорания топлива 11% т.а. Однако достигнутое выгорание топлива не обеспечивает эффективных технико-экономических показателей топливного цикла БН. На данный момент ограничение максимального выгорания топлива связано с относительно низкой радиационной стойкостью аустенитных сталей и низкой жаропрочностью ферритно-мартенситных сталей. Жаропрочность высокопрочных стареющих сталей определяется устойчивостью упрочненной частицами стальной матрицы при повышенных температурах и нагрузках.

Обычно применяемые для целей упрочнения частицы интерметаллидных фаз или дисперсные карбиды при температурах более 700 С начинают коагулировать и растворяться. В настоящее время для реакторов типа БН в качестве перспективных конструкционных материалов для поэтапного

повышения выгорания рассматриваются, стали практически всех классов: аустенитные, ферритные и ферритно-мартенситные.

Впечатляющие характеристики ДУО-сталей, как по механическим свойствам, так и по радиационной стойкости, позволяют планировать использование подобных сталей в термоядерной энергетике в качестве материала первой стенки и бланкета термоядерного реактора.

Нанокаркасы и пористая нанокерамика

Важным направлением в нанотехнологиях является создание

из различных функциональных материалов пористых нанокаркасов с толщиной стенки отдельных пор 10-100нм и размером ячейки до 1000 нм. На рисунке показана структура нанокаркаса из бериллия с низкой плотностью и образцы элементов конструкций бланкета ИТЭР на основе бериллиевых пористых нанокаркасов.

Основными направлениями разработки нанокаркасов является получение сверхпрочных и сверхлегких конструкционных материалов для создания высокопрочных пористых емкостей для хранения высокоэнергетических веществ, включая водород. В качестве материалов для построения каркаса используются металлы, интерметаллиды и керамика. Исследование свойств нанопорошков металлов с различной кристаллической структурой в зависимости от размера частиц показало, что структура на атомном уровне в частицах существенно отличается от атомной структуры даже микроскопических металлов. Так на рис.24 приведена зависимость координационного числа (КЧ) для платины с ГЦК структурой (КЧ=12) в зависимости от размера частиц. Видно, что даже при размере частиц 40 Ǻ число ближайших соседей достигает только значения КЧ=10. На основе исследования нанопорошков тантала, ниобия и алюминия разработана оригинальная технология получения нанопорошков Ta и Nb для высокоемких конденсаторов. Получены порошки с рекордными электрофизическими свойствами: с удельным зарядом до 150000 мкКл/г.

Пористая нанокерамика характеризуется существенно нелинейными механизмами упругой деформации, что обеспечивает высокие характеристики ее прочности, износостойкости и вязкости разрушения. Структура нанокристаллических керамик на атомном уровне также отличается от структуры крупнозернистых материалов существенными особенностями. Это приводит к принципиальным отличиям в проявлении упругих, демпфирующих, прочностных, тепловых, электрических, магнитных и диффузионных свойств. Причем такие отличия обусловлены не только малым размером зерен в нанокристаллических материалах, но и большой долей и особым состоянием границ зерен в них.

В последние годы успешно решается и проблема изготовления крупногабаритных заготовок с нано - и субмикрокристаллической структурой на основе технологий получение нанокерамических порошков. Предложены методы, позволяющие получать нанопорошки методом электрического взрыва, испарением мишени импульсным СО2-лазером и импульсные электромагнитные прессы для компактирования нанопорошков.

Это позволяет получать слабо агломерированные нанопорошки металлов, сплавов и керамик со средним размером частиц в области 20-100 нм при производительности до 200 г/час и затратах энергии до 5 кВтч. Форма частиц близка к сферической. Получены нанопорошки Аl2O3, MgAI2Ox, Fе2O3, TiO2, ZrO2, NiO и др. Средний размер частиц 15-50 нм, форма частиц близка к сферической, но в некоторых случаях (NiO) имеются и частицы с формой, близкой к параллелепипеду или кубу. При средней мощности излучения 650 Вт производительность установки составляет от 20 до 60 г/час, а средний размер частиц 10-15 нм. Создание износостойких материалов исследовалось на основе порошков Аl2O3; с добавкой порошков TiO2 и ZrO2, а также на основе порошков MgAI2Ox полученных взрывом проволоки из сплава Аl с Mg. Средний диаметр частиц 9.4 нм.

Показано, что микротвердость таких керамик достигает 24 ГПа при размере зерна не выше 300 нм. Примеры созданных изделий из высокопрочных керамик показаны на рис.28. Такие изделия применяются для агрегатов гидроабразивного резания и для топливных энергетических элементов.

Наномембраны и нанофильтры

Металлические объемные нанофильтры перспективны для использования в системах водоподготовки и очистки теплоносителя реакторов АЭС. Наномембраны, нанофильтры, нанокатализаторы используются в технологиях обращения с ОЯТ и РАО, в системах водоподготовки и очистки теплоносителей, дожигания радиолитического водорода, очистки воздуха и технологических газов и др. целей. Опытно-промышленные установки с использованием нанофильтрации используются в России для дожигания водорода в системах водородной безопасности АЭС, для переработки жидких радиоактивных отходов, очистки газов от радиоактивных аэрозолей, тонкой очистки воздуха и технологических газов.

На рисунке приведена принципиальная схема очистки мембранной технологии. Такая технология позволяющая снижать активность радионуклидов 137Cs и 90Sr на четыре порядка. Нанофильтры (цеолит, Al2O3, оксиды Cu,Sn,Ni,Bi) - это новое направление использования развития нанотехнологии для ультрафильтрации, основанное на создании в объеме системы сообщающихся разветвленных каналов, имеющих нерегулярное сечение от микрометрического до нанометрического размера. Металлические объемные нанофильтры перспективны для использования в качестве тепловых труб. Изделия подобного типа используются в космосе, как элементы системы обеспечения жизнедеятельности космонавтов на МКС, используются в медицинской технике для стерилизации жидкостей, очистке сред в пищевой промышленности.

Сравнительно малое внимание уделяется пока фуллеренам, углеродным нанотрубкам и графенам.

Способность изменять проводимость на порядки величины делает нанотрубку идеальным элементом для нового поколения электроники - молекулярной электроники. Нанотрубки могут быть использованы для упрочнения связующих при производстве роторов урановых центрифуг. Еще одно важное свойство УНТ обусловлено уникальными сорбционными способностями. Поскольку УНТ является поверхностной структурой, то вся ее масса заключена в поверхности ее слоев. Значение удельной поверхности нанотрубок достигает рекордной Ивеличины 2600 см2⋅г-1. Благодаря этому, а также из за наличия внутри УНТ полости, нанотрубка способна поглощать газообразные и жидкие вещества. Поскольку диаметр внутреннего канала УНТ лишь в 2-3 раза превышает размеры молекулы, капиллярные свойства нанотрубки проявляются на нанометровом масштабе.

Сверхпрочные и высоко-электропроводные материалы

Для термоядерных реакторов требуются и обычные проводящие материалы с высокой проводимостью и прочностью, способные работать в сильных магнитных полях и выдерживать высокие механические нагрузки.

Такими материалами, например, являются нанокомпозиционные проводники на основе сплавов Cu-Nb, имеющие прочность стали и электропроводность, близкой к меди. 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 импульсных магнитных систем потребовало разработки новых обмоточных материалов с уникальным сочетанием высоких прочностных и электропроводящих свойств. Разработаны технологии нового класса высокопрочных Cu-Nb обмоточных проводов прямоугольного сечения со следующими свойствами: предел прочности 1100-1250 MПa; электропроводность около 70% от меди. Нанокомпозит имеет прочность стали при электропроводности, близкой к меди.

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. На рисунке показано место новых наноструктурных электропроводных композитов по отношению к другим известным проводящим материалам.

Сверхпроводящие наноструктурированные материалы для термоядерной энергетики

Разработка сверхпроводящих материалов в виде наноструктурных сверхпроводников является примером разработки, изначальной целью которой явилось получение объемных наноструктурированных материалов.

В результате перехода к нанометрическим структурам удалось в несколько раз увеличить токонесущую способность сверхпроводников, что позволило создать мощные магнитные системы и экономить при этом до30% электроэнергии. Мощные магнитные поля, удерживающие плазму в термоядерных реакторах, создаются сверхпроводящими системами. В России по промышленным технологиям, разработанных в Бочваровском Институте, изготовлено более 100 тонн многокилометровых сверхпроводящих нанокомпозитов с размером структурных составляющих 1-50 нм. Ставится задача по разработке сверхпроводящего наноструктурированного кабеля, работающего в области азотных температур.

Реализация транспортных сверхпроводящих характеристик, высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) затруднена. Подробнее эти проблемы обсуждались многими исследователями. В связи с этим проиллюстрируем возможность применения ненотехнологии примерами, связанными с введением наноразмерных добавок TiO2 и использованием принципа наследственности свойств при ростетонких пленок.

Окрашивания структурных составляющих, как выделений, так и зерен ВТСП матрицы дает возможность проведения их идентификации и оценки их текстуры. Поверхностный рельеф как «геометрическое поле», управляющее ростом кристаллитов. Изображенные на рис.34 кристаллы представляют собой сверхпроводящий YBa2Cu3O7, находящийся на подложке из сплава серебро-палладий, которая обладает определенной структурой - рельефом поверхности. Происхождение полос на поверхности кристаллов связано с формированием двойниковых дефектов. Наличие двойниковых дефектов подтверждает, что кристаллы прошли стадию окисления и обладают сверхпроводящими свойствами, а также то, что они ориентированы совершенно определенным образом - с осью «с», направленной строго вверх, и осями «a» и «b», расположенными параллельно соответствующим граням кристалла. Именно такое, достигнутое искусственно (за счет полосчатого рельефа поверхности), расположение кристаллов наиболее выгодно с точки зрения реализации транспортных сверхпроводящих характеристик, поскольку ВТСП фазы обладают высокой кристаллографической анизотропией свойств.

Магнитные нанокомпозиты

В настоящее время производители проявляют повышенный интерес к композитным магнитам, которые обеспечивают повышение уровня технических параметров магнитных систем при одновременном уменьшении их габаритов. Прежде всего, новые магнитные материалы используются в малогабаритных, сверхскоростных электродвигателях и генераторах для авиакосмической, автомобильной и приборостроительной отраслей. Так, на основе эффекта Виганда были созданы магнитные микрокомпозитнаые материалы на основе сплавов Co-Fе-Nb и Fe-Ni . Получение бистабильного магнитного провода заключается в том, что заготовку, состоящую из магнитомягкой сердцевины и магнитополужесткой оболочки, подвергают обжатию и волочению. Затем ее отжигают при 1000-1200 °С, проводят волочение до конечного диаметра 0,1-0,3 мм и подвергают деформации. Деформация заключается в растяжении усилием 5-10 кг/мм2 и кручении с плотностью прокручивания 2-5 об/см. В результате такой обработки петля гистерезиса провода приобретает два участка со скачкообразным изменением намагниченности при значениях внешнего магнитного поля. При перемагничивании бистабильного магнитного провода внешним полем в считывающей катушке, размещенной на проводе, наводится импульс электродвижущей силы, соответствующий основному или дополнительному скачкам намагниченности. Разработана и запатентована технология получения нанокристаллических магнитных материалов методом центробежного распыления расплава. Нанокристаллические магнитные материалы превосходят известные ферриты бария и стронция по магнитной энергии в 6-8 раз.

Высокие магнитные свойства композитных магнитов достигаются при точном соблюдении фазового состава материала и создании структуры с размером кристаллитов основной магнитной фазы 20-30 нм. Для этого используется многоэтапная технология, включающая: получение слитков исходных сплавов в вакуумных индукционных печах; центробежное распыление и получение порошков сплавов в аморфном состоянии; кристаллизационный отжиг и получение порошков с требуемой нанокристаллической структурой.

Магнитные нанокомпозиты перспективны для использования в приборах диагностики состояния элементов конструкций активных зон ядерных реакторов, а также для использования в магнитных подвесах высокоскоростных устройств, используемых в атомной технике.

Наноматериалы в системах безопасности

Современные достижения в области наноматериалов и нанотехнологий открывают новые возможности для повышения характеристик систем безопасности и являются по своей сути инновационными, поскольку направлены на создание, главным образом, новой продукции, востребованной рынком систем безопасности. В ближайшие годы наиболее перспективны такие направления использования нанотехнологий в системах безопасности, отраженные в следующих примерах создания технических средств безопасности на базе нанотехнологий и наноматериалов:

Нанодатчики на различных физических принципах: туннельные датчики давления; интеллектуальные датчики «умная пыль»;распределенные массивы наносенсоров типа «умная пыль» для охраны границ и периметров объектов; датчики сверхраннего обнаружения пожаров. Нанодатчики на основе туннельного эффекта обладают сверхвысокой чувствительностью в диапазоне от 0,1 Гц до 200 кГц и могут быть использованы в системах сейсмо- и акустолокации, мониторинга, контроля прочностных характеристик материалов. Чувствительным элементом датчика является наносистема, состоящая из проводящей иглы, выполненной с применением кремниевой микромеханики, сверхтонкой слоистой гофрированной мембраны и системы поддержания туннельного тока.

Антитеррористические средства, в т.ч. спектральные наноанализаторы сверхнизких концентраций запрещенных к распространению веществ. Многофункциональные сенсоры «электронный нос» для обнаружения и идентификации сверхмалых количеств опасных веществ. На рис. 36 показана наносенсорная нейроподобная система «Электронный нос», включающая в себя блок наносенсоров, систему записи регистрации сигналов и программное обеспечение распознавания обонятельных образов. Принцип работы прибора заключается в измерении электропроводности набора химических сенсоров при их взаимодействии с парами веществ. В результате адсорбции молекул исследуемого вещества электропроводность чувствительных материалов сенсоров увеличивается. Математическая обработка данных сенсорного массива позволяет сформировать химический образ анализируемого вещества.

Системы контроля и управления доступа, контроля: идентификационные документы и системы контроля и управления доступа на базе нанометок и нанопамяти; замковые устройства для режимных помещений с уникальными электронными ключами - нанометками; Новые средства и методы контроля и защиты документов от подделки, например на основе наноматериалов, микропе-чати, тонких электронных схем, бумаги с добавлением наночастиц, компактных устройств считывания данных.

Более компактные и информативные портативные и стационарные металлоискатели и детекторы дви-жения на основе наносенсоров. Технологии создания наноразмерных гетеромагнитных структур с повышеннойустойчивостью к механико-климатическим воздействиям и воздействиям специальных факторов.

Технологии получения и нанесения нанокомпозитных многофункциональных защитных покрытий на конструктивные элементы технических средств и систем безопасности. Основные характеристики покрытий:увеличенный в 2-4 раза срок службы конструктивных элементов систем безопасности в условиях воздействия агрессивных химических кислотно-щелочных сред, а также повышенной влажности и соляного тумана, повышенная до 20 дБ помехозащищенность систем безопасности в условиях воздействия повышенных электромагнитных помех и радиационного фона.

Заключение

Из приведенных результатов видно, что наноструктурные материалы приобретают важную роль в атомной энергетике как конструкционные и функциональные материалы практически на всех стадиях ядерного топливного цикла. Чрезвычайно важным является образование в наноструктурных материалах после облучения упорядоченной наноструктуры из новых фаз с периодом в несколько нанометров, способствующей сохранению свойств материалов при высокодозном облучении. Обнаруженное явление может явиться началом развития нового направления радиационного материаловедения - создание конструкционных материалов, «положительно» реагирующих на фактор радиационного воздействия.

Перспективы применения нанотехнологий в ядерной энергетике связаны с созданием наноструктурных материалов и покрытий конструкционных элементов АЭС и будущих ТЯР с целью повышения твердости, коррозионной и радиационной стойкости, разработкой методов модифицирования ядерного топлива (карбонитрид UZrCN легированный наноалмазом), создание наноструктурных композитов системы SiC / SiC для ТЯР, созданием фильтров и мембран, наноструктурных суперпроводников и сверхпроводников, разработкой новых систем доступа и контроля безопасности АЭС.

Увеличение эффективности работы и срока службы перспективных реакторов на быстрых нейтронах требует неразрывно связано с разработкой радиационно-стойких конструкционных материалов таких как новый класс ферритно-мартенситных сталей, упрочненных частицами оксидов нанометрового размера (ДУО-стали) и обладающими при этом высокими прочностными и механическими свойствами.

Этот путь лежит в глобальном направлении создания конструкционных материалов, упрочненных высодисперсными неметаллическим частицами (наночастицами) и предназначенными для элементов активных зон перспективных ядерных реакторов. Данное направление интенсивно развивается в странах, имеющих развитую инфраструктуру ядерной энергетики (Россия, США, Япония, Китай, Франция, Украина).

Впечатляющие характеристики ДУО-сталей, как по механическим свойствам, так и по радиационной стойкости позволяют планировать использование подобных сталей в термоядерной энергетике в качестве материала первой стенки и бланкета термоядерного реактора.

Другие применения нанотехнологий в энергетике: солнечные батареи, химические преобразователи энергии, новые источники хранения энергии, реакторы по переработке углеводородного сырья в водородное топливо, накопители водорода (нанотрубки, наногеттеры). Переход к наноструктурным материалам позволит создавать для ядерной энергетики материалы с качественно новыми свойствами и создавать новые направления разработок энергетического оборудования. Поэтому актуальной задачей является ускоренное развитие работ в области нанотехнологий и наноматериалов, призванное обеспечить реализацию экономической стабильности иинновационные преобразования промышленности.

Список литературы

1.Развитие атомной энергетики России и Украины - фактор устойчивого межгосударственного сотрудничества: материалы совместного совещания-семинара РАН и НАНУ: 21-23 октября 2008 г., ЛОК «Колонтаево» (г. Электросталь). - М.: Наука, 2009.

. Второй Совместный российско-украинский научно-технический совещание-семинар «Развитие атомной энергетики России и Украины - фактор устойчивого международного сотрудничества». Энергодар, Украина, 20-22 октября 2009 г.

. Р. Фейнман Внизу полным полно места: приглашение в новый мир физики //Химия ижизнь. 2002.-№.12.

. Научная сессия Общего собрания РАН 19 XII 2002 г. //Вестник РАН.-2003.- Т. 73, №5.

. Р.А. Андриевский, А.В. Рагуля Наноструктурные материалы. - М.:ИЦ «Академия», 2005.

. "Электронной микроскопии и многомасштабному моделированию материалов" (ЕМММ2007). Москва, 3-7 сентября, 2007, Институт кристаллографии РАН. Москва, 2007.

. В.Л. Гинзбург, Е.А. Андрюшин Сверхпроводимость.-М.: Альфа-М. 2006.-324с.

. А.И. Великодный, В.Г. Кириченко Магнитные сплавы для вигандовских технологий// Высокочистые металлические и полупроводниковые материалы.- Харьков:ННЦ ХФТИ, ИПЦ "Контраст", 2002.-

. Н.А. Азаренков, А.И. Великодный, В.Г. Кириченко, Т.А. Коваленко, М.Г. Компаниец, С.Ю. Кочетова Генерация электромагнитных импульсов при циклическом перемагничивании деформированных ферромагнитных сплавов // Вісник Харківського національного університета. - №.832. - Сер. фізична "Ядра, частинки, поля". - 2008. - Вип. 4/40/.

. ФГУП "СНПО "Элерон".