Ученые Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и кафедры материаловедения в машиностроении Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) разработали external link, opens in a new tabпринципиально новую технологию сплавления титана и тантала. В результате был получен особо стойкий к коррозии материал, который почти не разрушается от контакта с агрессивными средами. С помощью этой технологии был создан экспериментальный химический мини-реактор и проведен эксперимент. Оказалось, что срок непрерывной работы реактора из такого материала составил бы 30 лет, что в несколько раз больше, чем реактора из особо стойкой стали. Проект external link, opens in a new tabвыполнялся в рамках ФЦП «Исследования и разработки»external link, opens in a new tab.
Технология наплавки. С помощью уникального промышленного ускорителя ЭЛВ-6, который выпускает в атмосферу концентрированный пучок электронов с энергией 1,4 МэВ, в ИЯФ СО РАН наплавляют порошки на металлы. Проникающая способность такого пучка составляет, в зависимости от материала, около одного миллиметра. Сканируя им по поверхности металла, на которую нанесен порошок, получают сплав. Используя этот метод, ученые ИЯФ СО РАН и НГТУ наплавили на титан тантал, за счет чего коррозионная стойкость наплавленного поверхностного слоя выросла примерно в 50 раз. В ИЯФ СО РАН отработаны элементы технологии создания промышленных листов из этого материала и возможность их сварки.
«Наша технология выгодна по двум причинам. Во-первых, наплавляется только рабочая поверхность, второе преимущество – в высокой производительности процесса. В мире не существует установок с выпуском в атмосферу мощных сфокусированных пучков с такой проникающей способностью», – пояснил руководитель проекта кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Михаил Голковский.
Применение. Перспективными представляются два применения сплава, полученного учеными ИЯФ СО РАН и НГТУ: для крупнотоннажного производства азотной кислоты и в атомной отрасли. В атомной промышленности существует технология переработки отработанного ядерного топлива. После уменьшения до определённого уровня концентрации рабочего элемента и возрастания концентрации вредных загрязняющих изотопов ядерный реактор останавливается, а отработанные компоненты топлива перерабатываются и обогащаются. Резервуар, в котором происходит переработка, изготавливают из специальных сортов нержавеющей стали или сплава на основе никеля, но эти материалы обладают не очень высокой коррозионной стойкостью. Важен и вопрос безопасности. Со временем химический реактор, в котором перерабатывается отработанное ядерное топливо, становится радиоактивным, и чем дольше он способен работать без ремонта, тем лучше.
Общий вид корпуса макета химического реактора без арматурыЭкспериментальный химический реактор.
«В рамках проекта, – объясняет Михаил Голковский, – мы изготовили из пластин полученного материала маленький химический реактор объемом в несколько литров. Мы налили в него концентрированную азотную кислоту, довели ее до кипения, предварительно точно взвесив наш сосуд. Кислота кипела несколько суток. Результат эксперимента нас очень порадовал: контрольное взвешивание показало, что реактор практически не потерял вес. Это означает, что материал, из которого он сделан, не разрушается от воздействия агрессивной среды. Но несколько суток испытаний – слишком маленький срок, чтобы делать выводы, ведь срок службы настоящего реактора исчисляется десятилетиями. Перерасчёт скорости разрушения материала показывает, что она составляет несколько десятков микрон в год. Получается, что химический реактор из нашего материала мог бы работать, как минимум, в течение 30 лет без остановок».
Один из участников работ, старший преподаватель НГТУ Алексей Руктуев отмечает, что если заменить традиционно применяемые материалы на разработанные, то следует ожидать увеличения срока службы примерно в 10 раз.
«Однако, – подчеркивает учёный, – в каждом отдельном случае следует проводить детальный анализ, поскольку присутствие в агрессивной среде различных примесей может оказывать значительное влияние на уровень коррозионной стойкости».
Применение в медицине.
«Титан, тантал и ниобий являются биоинертными материалами, – поясняет Алексей Руктуев. – Таким образом, возможно рассмотрение предложенной в проекте методики для получения материалов для последующего создания имплантатов. Кроме того, модуль упругости сплавов титана с танталом и ниобием ближе к характеристикам костей, чем чистый титан или сплавы, применяемые в настоящее время».
Макет химического реактора в сборе с арматурой для переноски и установки