Болашақ реакторларға арналған материалдар қалай сыналады?

Жаңа буын реакторларын құру ондаған жылдар бойы экстремалды жағдайларда жұмыс істей алатын материалдарсыз мүмкін емес. Жоғары температура, қарқынды радиациялық әсер және агрессивті салқындатқыштар оларға ерекше талаптар қояды. Қазақстан Республикасы Ұлттық ядролық орталығының филиалы – «Атом энергиясы институтының» радиациялық материалтану зертханасының бастығы Ержан Ернатұлы Сапатаев ғалымдардың болашақ құрылымдық материалдардың сенімділігін қалай тексеретінін және бұл жұмыстағы Қазақстан Республикасы Ұлттық ядролық орталығының рөлін түсіндіреді.

– Ержан Ернатұлы, неліктен материалтану қазіргі заманғы атом энергетикасын дамытудың негізгі бағыттарының бірі болып саналады?

– Бүгінгі таңда әлемдік атом саласы жаңа буын реакторларын әзірлеу және енгізу, сондай-ақ термоядролық технологияларды дамыту сатысында тұр. Мұндай қондырғылар қолданыстағы энергетикалық реакторларға қарағанда әлдеқайда күрделі жағдайларда жұмыс істеуі керек, сондықтан құрылымдық материалдарға түбегейлі жаңа талаптар қойылады.

Болашақ реакторлардың сенімділігі, қауіпсіздігі және ұзақ мерзімділігі көбінесе материалдардың қасиеттеріне байланысты. Сондықтан жаңа қорытпалар мен композиттерді құру және кешенді сынау қазіргі заманғы атом ғылымының маңызды міндеттерінің бірі болады.

– Перспективалы реакторлардың ішіндегі материалдар қандай жүктемелерге ұшырайды?

– Реактор қондырғыларының ішінде материалдар бірден бірнеше факторларға ұшырайды.

Ең алдымен, бұл жоғары температура, олар 500-ден 1000 °C-қа дейін және одан жоғары болуы мүмкін.

Екінші фактор – қарқынды нейтрондық сәулелену. Нейтрондар ағынының әсерінен металдың құрылымы өзгереді, бұл оның ісінуіне және беріктік сипаттамаларының төмендеуіне әкелуі мүмкін.

Сонымен қатар, құрылымдық материалдар агрессивті жылутасымалдағыштармен байланыста өз қасиеттерін сақтауы керек. Жаңа буын реакторларында судың орнына сұйық натрий, қорғасын-висмут немесе жоғары температуралы гелий қолданылуы мүмкін, бұл металға айтарлықтай күшті әсер етеді.

Материалтанушылардың міндеті – мұндай жағдайларды модельдеу, эксперименттік үлгілердің беталысын зерттеу және олардың ұзақ уақыт бойы қаншалықты сенімді жұмыс істей алатынын анықтау.

– Бұл зерттеулерде Қазақстан Республикасының Ұлттық ядролық орталығы қандай рөл атқарады?

– Қазақстан Республикасының Ұлттық ядролық орталығында бұрынғы Семей сынақ полигонының базасында қалыптастырылған бірегей зерттеу инфрақұрылымына ие.

Осының арқасында ҚР ҰЯО атом энергетикасына арналған перспективалы материалдарға кешенді зерттеулер жүргізілетін ғылыми алаңдардың бірі болады. Орталықтың мүмкіндіктері болашақ реактор қондырғыларының нақты жұмыс жағдайларын жаңғыртуға және жаңа құрылымдық материалдарды әзірлеу үшін қажетті эксперименттік деректерді алуға мүмкіндік береді.

– ИВГ.1М зерттеу реакторы қандай мүмкіндіктер береді?

– ИВГ.1М зерттеу реакторында перспективалы материалдарға реакторішілік сынақтар жүргізіледі.

Эксперименттік үлгілер арнайы ампулаларға тікелей реактордың активті аймағына орналастырылады, онда нақты нейтрондық сәулелену спектрлері мен жоғары жылу жүктемелері бір уақытта қайталанады.

Мұндай зерттеулер барысында мамандар қазіргі заманғы ферриттік-мартенситтік және аустениттік болаттардың, сондай-ақ жаңа буын реакторлары үшін перспективалы құрылымдық материалдар ретінде қарастырылатын дисперсті-оксидпен нығайтылған материалдардың беталысын зерттейді.

– ИГР зерттеу реакторы қандай мәселелерді шешеді?

– ИГР импульстік графит реакторы өтпелі және апаттық режимдердегі материалдар мен құрылымдық элементтердің әрекетін зерттеу үшін қолданылады.

Жоғары қуатты қысқа мерзімді импульстарды құру мүмкіндігінің арқасында мамандар температураның күрт өзгеруін модельдей алады және активті аймақтың еруіне байланысты жағдайларды қоса алғанда, ауыр авариялық сценарийлердегі құрылымдардың беталысын зерттей алады.

Мұндай зерттеулер реакторлық технологиялардың қауіпсіздігін одан әрі жетілдіру үшін қажетті деректерді алуға мүмкіндік береді.

– Халықаралық жобаларда ҚР ҰЯО зерттеулері қаншалықты сұранысқа ие?

– Ұлттық ядролық орталықтың материалтану базасы халықаралық деңгейде мойындалды.

Орталықтың мамандары ITER – Халықаралық эксперименттік термоядролық реактор жобасын іске асыруға қатысады.

Курчатов қаласында мамандандырылған вакуумдық стендтерде жұмыс жағдайында жоғары температуралық плазмамен тікелей өзара әрекеттесетін дивертор элементтері сыналады.

Бұдан басқа, ғалымдар материалдардың сутегімен және оның изотоптары – дейтериймен және тритиймен өзара әрекеттесу процестерін зерттейді. Бұл зерттеулер сутегі осалдығының әсерін бағалауға және осы әсерге төзімді материалдарды әзірлеуге мүмкіндік береді.

Сонымен қатар шапшаң натрий және қорғасын реакторлары үшін болаттың жаңа маркалары зерттеледі, сондай-ақ кремний карбиді негізіндегі перспективалы композиттер зерттеледі.

– Реактордағы сынақтар аяқталғаннан кейін материалдарға не болады?

– Ұзақ уақыт сәулеленуден кейін эксперименттік үлгілер радиоактивті болады, сондықтан олар одан әрі арнайы ыстық камераларда зерттеледі.

Бұл қажет операцияларды қауіпсіз орындауға мүмкіндік беретін қорғаныш әйнектермен және қашықтан басқару құралдарымен жабдықталған герметикалық қорғаныш бокстары.

Ыстық камераларда мамандар материалдардың созылуына, сығымдалуына, соққыға беріктігіне, сырғуына, қажуына және жарыққа төзімділігіне механикалық сынақтар жүргізеді.

Келесі кезең - электрондық микроскопия. Бұл материалдың кристалдық құрылымындағы өзгерістерді зерттеуге, радиациялық кеуектерді, дислокациялар мен өлшемі небәрі бірнеше нанометр микрожарықтарды анықтауға және сәулеленуден кейін материалдың өз қасиеттерін қаншалықты сақтайтынын бағалауға мүмкіндік береді.

– Атом энергетикасы үшін жаңа материал жасау қанша уақытты алады?

– Ядролық материалтану – бұл ұзақ мерзімді зерттеулерге бағдарланған бағыт.

Жаңа конструкциялық материалды әзірлеу, сынақтардың толық кешенін жүргізу және оның сипаттамаларын растау 10 жылдан 15 жылға дейін созылуы мүмкін.

Бұл мерзім материалды әртүрлі жағдайларда пайдалануды жан-жақты тексеру және оның сенімділігін эксперименттік зерттеулермен растау қажеттілігіне негізделген.

– Бұл зерттеулердің атом энергетикасын дамыту үшін маңызы қандай?

– Бүгінгі таңда Қазақстан Республикасының Ұлттық ядролық орталығы зерттеу реакторларындағы сынақтардан бастап сәулеленген үлгілерді егжей-тегжейлі талдауға дейінгі материалтану зерттеулерінің толық циклін жүргізуге мүмкіндік беретін бірегей зерттеу инфрақұрылымына ие.

Бұл жұмыстың нәтижелері отандық және халықаралық жобаларда сұранысқа ие. Олар болашақ реакторлары үшін жаңа материалдар жасауға, атом энергетикалық қондырғыларының сенімділігі мен қауіпсіздігін арттыруға ықпал етеді, сондай-ақ Қазақстанның атом энергиясын бейбіт мақсатта пайдалану саласындағы халықаралық зерттеулерге қатысушылардың бірі ретіндегі ұстанымын нығайтады.

– Сұхбатыңызға рахмет!