Взрывные технологии в атомной отрасли — это прежде всего не оружейная, а промышленная тема: сварка и плакирование взрывом позволяют получать соединения металлов, недостижимые традиционными методами, и уже несколько десятилетий применяются при изготовлении корпусов реакторов, теплообменников и оборудования для переработки топлива.
Когда речь заходит о «взрывных технологиях» применительно к атомной отрасли, важно сразу разделить два совершенно разных смысловых поля. Первое — это специфический промышленный метод соединения металлов с помощью контролируемого взрыва, который используется в машиностроении для АЭС уже с 1960-х годов. Второе — это вопросы физической и технологической безопасности станций в широком смысле (защита от внешних воздействий, предотвращение взрывов водорода и так далее). В этом материале речь пойдёт именно о первом — о сварке и плакировании взрывом как инженерном инструменте атомного машиностроения.
Что такое сварка и плакирование взрывом
Метод основан на том, что при детонации слоя взрывчатого вещества, нанесённого на металлическую пластину, эта пластина разгоняется до очень высокой скорости и сталкивается под углом со второй, неподвижной пластиной. В точке соударения возникают колоссальные локальные давления, металл на поверхности обеих пластин на долю секунды переходит в пластичное, почти жидкое состояние, образуя прочное металлургическое соединение — без плавления основного объёма металла и без традиционного сварочного шва. Явление было случайно замечено ещё в 1940-х годах при экспериментах со взрывной штамповкой металла, а как самостоятельная технология оформилось к концу 1950-х — началу 1960-х годов.
Ключевое практическое преимущество метода — возможность прочно соединять металлы, которые плохо или вообще не свариваются обычными термическими способами: например, титан и нержавеющую сталь, при сплавлении которых обычной сваркой образуются хрупкие интерметаллические фазы, разрушающие сварной шов.
Применение в атомном машиностроении
В атомной отрасли взрывное плакирование и сварка применяются по нескольким направлениям.
Плакированные листы для корпусов реакторов. Внутреннюю поверхность корпусов реакторов и элементов первого контура часто изготавливают из недорогой углеродистой или низколегированной стали, плакированной слоем коррозионностойкого материала — нержавеющей стали, никелевых сплавов. Взрывное плакирование даёт прочное соединение слоёв без потери свойств каждого металла в отдельности, что особенно важно для оборудования, работающего в условиях радиационного облучения и коррозионных сред.
Оборудование для переработки облучённого топлива. Одно из показательных применений — соединение титана (точнее, титановых сплавов) с аустенитной нержавеющей сталью для изготовления растворителей облучённого топлива на заводах по переработке. Титан обладает исключительной коррозионной стойкостью в кипящей концентрированной азотной кислоте, которая используется на начальном этапе растворения топлива, тогда как остальные части технологической цепочки работают с менее концентрированной кислотой, где достаточно обычной нержавеющей стали 304L. Поскольку прямая сварка титана со сталью технологически проблематична, взрывное плакирование остаётся одним из немногих надёжных способов создать такой переходный узел.
Теплообменники, компенсаторы давления и трубные соединения. Взрывная сварка и её родственная технология — взрывная заглушка (explosive plugging) — используются для герметизации и ремонта трубных пучков теплообменников, компенсаторов давления, для соединения труб с трубными досками. Отдельная разновидность метода, разработанная NASA, применялась, в частности, для ремонта трубных соединений на канадских атомных реакторах.
Термоядерные приложения
Технология находит применение и в термоядерных проектах: например, слоистые композиты «вольфрам — медь», получаемые взрывной сваркой, рассматриваются как перспективный материал для компонентов с высокой тепловой нагрузкой, обращённых к плазме, — в том числе для международного экспериментального реактора ИТЭР, где вольфрам обеспечивает стойкость к высоким температурам и эрозии плазмой, а медь — эффективный отвод тепла.
Вопросы технологической безопасности процесса
Сама технология взрывной сварки требует строгого контроля процесса: важен точный расчёт количества и типа взрывчатого вещества, зазора между пластинами, угла и скорости соударения — отклонение параметров от расчётных приводит к дефектам сварного шва (непроварам либо, наоборот, избыточному оплавлению и образованию хрупких включений на границе соединения). Производство ведётся на специализированных полигонах в контролируемых условиях, с учётом требований промышленной и взрывобезопасности, значительно отличающихся от условий обычного сварочного цеха.
Значение для отрасли
Пример взрывной сварки и плакирования хорошо иллюстрирует общий принцип, характерный для атомного машиностроения: многие материаловедческие задачи отрасли — соединение химически и металлургически несовместимых материалов, работающих в экстремальных условиях радиации, температуры и агрессивных сред, — решаются не за счёт создания принципиально новых материалов, а за счёт нестандартных технологических приёмов их обработки и соединения. Взрывная сварка остаётся одним из таких проверенных десятилетиями инструментов — специализированным, но по-прежнему востребованным как в традиционной атомной энергетике, так и в проектах управляемого термоядерного синтеза.
