12 апреля 2011

Углерод на Земле и в космосе

Страна Росатом

Центрифуга для обогащения урана – жемчужина в короне технологических достижений Росатома. Но без постоянного совершенствования любой лидер рискует рано или поздно оказаться в хвосте. Одно из направлений модернизации газовых центрифуг основано на более широком использовании углеродных волокон.

Углепластик – это лёгкий прочный материал. По жёсткости он сопоставим со сталью, а его прочность на разрыв в несколько раз выше. Углеродные материалы уже давно окружают нас. Из них делают дорогие яхты, самолёты, космические корабли и обыкновенные удочки.

ДОРОГОЕ УДОВОЛЬСТВИЕ

Пионеры в сфере производства углепластика японцы. В 1970-х – 1980-х годах эти материалы стали появляться в США и в СССР. Первоначально углеволокно и углепластик использовали в основном в авиации и в космической отрасли, теперь сфера их применения значительно шире.

Немного стран в мире могут себе позволить иметь полное производство углеродных волокон. Среди них Япония, США, Германия, Франция, Россия и Китай. Дело в том, что технология сложная, нужны инженеры и специалисты соответствующего уровня, необходимо много лет потратить на отработку технологического процесса. Поэтому всем остальным сейчас выгоднее покупать углеродные материалы.

Один из самых распространённых и эффективных, в первую очередь по качеству и стоимости продукции, способов изготовления углеродных материалов предполагает использование как сырья ПАН-волокон. В России выпуском углеродных волокон занимаются три предприятия: саратовский завод СНВ, балаковский «Аргон» и челябинский Завод углеродных и композиционных материалов (ЗУКМ). Эти активы – собственность Росатома, они консолидированы на базе компании «Химпроминжиниринг», которой сегодня управляет ХК «Композит».

– Одно из важных применений углеродных материалов – так было, есть и будет всегда – это производство газовых центрифуг, – рассказывает старший инженер по продажам ХК «Композит» Глеб Макаров. – Центрифуги первого поколения делались из особо прочных алюминиевых сплавов. Сложно найти какой-то другой прочный и одновременно лёгкий материал, который выдержит такую центробежную силу. Потом появилось углеродное волокно, и это действительно был прорыв в сфере обогащения урана.

Ещё один традиционный потребитель таких материалов авиация. Правда, расширение использования углеродного материала там идёт постепенно. Сейчас, например, «Боинг-787» наполовину по массе сделан из углепластика, хотя начиналось всё с нескольких процентов.

ОТ СТРОЙКИ ДО КОСМОСА

Итак, все три завода находятся в одной цепочке. ПАН-волокно из нитрилакриловой кислоты производит предприятие СНВ. Эти жгуты по своей фактуре напоминают нейлон или капрон. С ними работает уже «Аргон». Там делается углеродное волокло, а на ЗУКМ выпускается высокомодульное. Материал проходит окисление при относительно небольших температурах (200 – 300 °С), карбонизацию в печах, где выгорают все органические компоненты, графитизацию. В итоге содержание углерода достигает 99,99 %. Полученное волокно можно использовать для изготовления различной продукции.

– Перед нами стоит задача расширить область гражданского применения углеродных волокон, – продолжает Глеб Макаров. – Ведь товар этот не дешёвый, в разы дороже металла. Но всегда можно найти ниши, где, несмотря на цену, его использование оправданно.

Потенциал углеродных материалов крайне велик. Яркий пример – мосты. Наклеивание однонаправленных углеродных тканей позволяет быстро отремонтировать конструкции, увеличить несущую способность моста. Сокращается время на ремонт и общие затраты. К слову, ХК «Композит» именно строительство считает наиболее перспективным рынком сбыта.

– В России много объектов инфраструктуры требуют ремонта: дороги, мосты и так далее, – отмечает Глеб Макаров. – Можно делать из углепластика газовые баллоны для МЧС или пожарных, где вес снаряжения – критический момент и от него может зависеть человеческая жизнь. В космосе больше полезной нагрузки можно будет вывести на орбиту. Колоссальные перспективы открываются для ветроэнергетики.

Кроме того, например, в моделях BMW новой третьей серии крыша будет полностью сделана из углепластика. Экономится несколько десятков килограммов веса и не один литр бензина. Крыша есть, но по весу её нет, и тем самым существенно повышается уровень безопасности – центр тяжести корпуса машины смещается вниз. Автомобиль становится более управляемым.

АТОМНЫЕ ПЕРСПЕКТИВЫ

Есть ещё такой продукт, как углепластиковая арматура. Она похожа по свойствам на стальную, только легче и меньше, а также лучше переносит агрессивные виды воздействия. После сильнейшего землетрясения в Японии выстояли и получили меньше всего разрушений именно те здания, которые были построены с использованием углеродных материалов, отмечают эксперты. Так что и в нашей стране углеродные волокна было бы логично использовать при сооружении домов в сейсмоопасных районах, при строительстве промышленных объектов, которым нужна дополнительная защита. А значит, вскоре углепластик может найти новое применение и в атомной энергетике.

Сейчас ХК «Композит» занимается расширением мощностей всех трёх предприятий. К концу этого года они по плану должны вырасти более чем втрое – до 600 т в год. Рост продаж углеродных материалов позволяет вести новые научно-исследовательские работы, совершенствовать технологию производства. А это, в конечном счёте, прямым образом отразится и на качестве новых моделей отечественных центрифуг для обогащения урана.

Надежда КУДРИНА,
для «Страны РОСАТОМ»

 

СПРАВКА

Ежегодно мировое потребление углеродного волокна достигает около 30 тыс. т, годовое потребление в России за 2010 год составило 210 т. При этом порядка 50 – 60 т – это импорт: углеродное волокно, ввезённое из-за рубежа.
Объём производства углеволокна внутри России составляет около 150 т. В мировом масштабе это не больше доли процента. Из этого объёма Росатом как потребитель забирает порядка трети, гражданская и военная авиация чуть меньше – 20 – 30 т в год, строительство – 5 –10 т. Кроме того, углеродное волокно используется в производстве военных изделий и ракетно-космической техники, а также для изготовления товаров народного потребления. Активно закупают углепластик и стритрейсеры для тюнинга своих автомобилей.