Помимо разработки ядерного топлива, материалов для атомных реакторов и технологий переработки радиоактивных отходов, институт занимается широким кругом материаловедческих проблем. В частности, в 2006 году во ВНИИНМ был создан Центр нанотехнологий и наноматериалов Росатома. О высокотехнологичных разработках института для различных отраслей экономики рассказал генеральный директор ВНИИНМ В.Б.Иванов.
DOI:10.22184/1993-8578.2015.57.3.6.12
Термин "нанотехнологии" не в полной мере формализован, поэтому целесообразно отнести к этой области не только проекты по созданию и использованию объектов с размерами меньше 100 нм, но и направления, в которых применяются типичные для наноиндустрии подходы и решения. Помимо ядерных технологий мы разрабатываем сверхпроводящие материалы, решения на базе нанобериллия, композитные наноматериалы, высокопрочные наноструктурные электропровода, широкий спектр технологий обработки поверхности, а также порошки для аддитивных технологий.
Насколько близки к промышленной стадии работы в области сверхпроводящих материалов?
Сверхпроводники принято делить на низкотемпературные (НТСП), которые обладают нулевым электрическим сопротивлением при температуре жидкого гелия, и высокотемпературные (ВТСП), работающие при температуре жидкого азота. Промежуточное положение между НТСП и ВТСП занимает диборид магния (MgB2), который приобретает сверхпроводящие свойства при температуре жидкого водорода. Чем выше рабочая температура сверхпроводника, тем меньше затраты на криогенную технику при его эксплуатации.
Технология промышленного производства НТСП разработана нашим институтом и внедрена на Чепецком механическом заводе, который выпустил около 220 т сверхпроводников для международного термоядерного реактора ИТЭР. Также НТСП используются в медицинских томографах. К сожалению, наша медицина долгое время обходилась исключительно иностранным оборудованием, а производство отечественных приборов этого типа только начинает развиваться.
В области ВТСП ведутся разработки второго поколения материалов. К внедрению в промышленность наиболее близки ограничители тока, которые защищают электрические машины, например в железнодорожном транспорте или метро, от повреждения при коротких замыканиях. Ограничители тока на базе сверхпроводящих материалов по своему быстродействию существенно превосходят обычные устройства. Принцип работы основан на том, что при превышении установленного критического значения силы тока ВТСП-элемент теряет сверхпроводящие свойства, и сопротивление сети резко увеличивается. Такие токоограничители уже разработаны, дело за их внедрением.
Хотя в рамках президентской программы ГК "Росатом" должна завершить в текущем году крупный проект, результатом которого станет разработка оборудования и технологии для производства ВТСП-проводов длиной до 1 км, приходится констатировать, что пока в этой области мы отстаем от других развитых стран. Судя по информации, поступающей из-за рубежа, сверхпроводники находят все более широкое применение как в энергетике, так и в военной технике, в частности, для уменьшения массы и габаритов электрооборудования подводных лодок.
Помимо ВТСП, в США, Италии и других странах развиваются сверхпроводящие материалы на базе диборида магния, которые характеризуются относительной дешевизной, технологичностью производства и хорошими техническими параметрами. В прошлом году я встречался с Карло Руббиа, лауреатом Нобелевской премии, и он считает сверхпроводники на базе диборида магния чрезвычайно перспективным направлением. Этот материал уже сейчас позволяет создавать ЛЭП длиной в несколько сотен километров, которые могут передавать достаточно высокие токи. Следует отметить, что ВНИИНМ имеет хорошие наработки в области применения диборида магния, и при необходимости мы можем в короткие сроки довести эту технологию до промышленной стадии, но пока на государственном уровне акцент делается на развитии ВТСП.
По моему мнению, за сверхпроводящими материалами будущее электротехники, поэтому в него целесообразно инвестировать больше средств, искать новые области применения, реализовывать пилотные проекты. Если за рубежом ведутся испытания, создается оборудование, накапливается практический опыт в создании проводников, в криогенике и других смежных областях, то в России, к сожалению, этой тематике пока не уделяется должного внимания. Хотя именно у нас сверхпроводимость обеспечит колоссальную экономию, принимая во внимание расстояния, на которые передается электроэнергия.
Еще одна разработка ВНИИНМ в сфере электротехники – наноструктурные сверхпрочные электропровода. В каких областях они могут быть востребованы, и как соотносится их стоимость с ценами на обычные электропровода?
Сверхпрочные провода представляют собой медную матрицу, содержащую десятки тысяч ниобиевых нитей. Такой провод имеет электропроводность до 75–80% от электропроводности высокочистой меди при прочности на уровне стали – до 1500 МПа. Возможные области применения – там, где электропровода в процессе эксплуатации подвергаются высоким механическим нагрузкам. Например, в контактных проводах для высокоскоростного железнодорожного транспорта. При скоростях поездов более 300 м/ч контактные провода из обычных материалов очень быстро выходят из строя, если же использовать наши высокопрочные провода, то и срок службы будет выше, и число опор можно уменьшить.
Еще одна интересная область применения – сверхмощные электромагниты. Магнитные поля выше нескольких десятков Тесла приводят к возникновению высоких внутренних напряжений, которые буквально разрывают провода из обычных материалов, а наши высокопрочные провода выдерживают магнитную индукцию до 100 Тесла и выше, – это подтвердили, в частности, испытания, проведенные в Лос-Аламосской национальной лаборатории Министерства энергетики США.
Сверхпрочные провода также могут применяться в авиационной и космической технике, в ЛЭП, в системах резонансной передачи электроэнергии и т.п. Что касается их стоимости, то пока она в несколько раз выше, чем у обычных электропроводов, поэтому речь идет о специальных областях, где требуется исключительная прочность. ГК "Росатом" поддерживает этот проект, и, согласно бизнес-плану, к 2019 году он должен выйти на безубыточность.
Созданные ВНИИНМ порошки для 3D-печати можно считать продуктом нанотехнологий?
Размеры частиц таких порошков – от 10 до 30 мкм, но в их производстве применяются приемы, типичные для нанотехнологий, тем более что в соответствии с современными требованиями эти частицы должны иметь сферическую форму. Сейчас в стране бум аддитивных технологий, но пока нет четкого понимания, где их целесообразно использовать. Мы разработали уникальные порошки из нержавеющей стали, алюминия, титана и других конструкционных материалов, а также их смесей. Есть идеи организовать производство элементов топливных сборок реакторов и других деталей. Пока тестируем программное обеспечение и получаем первые 3D-модели.
Каких результатов удалось добиться в области создания функциональных и защитных покрытий?
Мы предпочитаем использовать более широкий термин – обработка поверхности, которая радикально меняет свойства конструкции. Институт обладает патентами и многочисленными ноу-хау в этой области. В производстве применяется более десятка технологий обработки, например холодное газодинамическое напыление и магнетронное распыление. В зависимости от поверхности и поставленных задач могут наноситься керамические, металлические, композитные и другие материалы. В результате обработки поверхность приобретает требуемый комплекс характеристик, например жаростойкость или жаропрочность, механическую износостойкость, химическую стойкость, антифрикционные свойства, коррозионную стойкость, радиопоглощение, электроизоляция и т.п. Помимо решения машиностроительных задач, постепенно накапливается опыт и в других областях. В частности, очень интересный проект реализуется совместно с российской компанией, разработавшей медицинские протезы тазобедренного сустава, которые по уровню биосовместимости не имеют аналогов в мире. Кость быстро срастается со специальным пористым покрытием протеза, что увеличивает срок службы последнего. Надеюсь, что в этом году мы доведем эти работы до опытно-промышленной стадии.
Также в наших планах создание компактного переносного оборудования для нанесения покрытий, которое сможет найти применение в самых разных сферах, например в ЖКХ – для восстановления труб.
Какие еще проекты реализуются в институте?
Интересное направление – создание изделий из нанобериллия, в частности, вакуум-плотной фольги и линз для фокусировки рентгеновских лучей. Для изготовления линз требуется высокочистый бериллий с наноструктурой, предотвращающей рассеивание излучения. Система линз в приборах рентгенофлуоресцентного анализа позволяет получать луч микронного диаметра для исследования объектов на уровне, близком к молекулярному. Разработаны технологии шлифовки и полировки поверхности бериллиевой фольги.
Интересные результаты достигнуты в области создания высокоэнергетических магнитных материалов. Нанотехнологии в сочетании с технологией "стрип-кастинг" позволяют получать магнитные сплавы с уникальными свойствами для производства электродвигателей, генераторов, соединительных муфт, датчиков, фильтров и других изделий.
Политика импортозамещения помогает в развитии института?
Мы прорабатываем более десятка соглашений, в том числе с предприятиями авиакосмической отрасли и ВПК, но эффект от реализации этой политики мог бы быть и больше. Первая проблема – недостаток информации о потенциальных возможностях замещения иностранных поставщиков. Вторая проблема связана с отсутствием у заказчиков средств на НИОКР – всем нужны готовые к внедрению технологии. К сожалению, найти деньги на НИОКР не всегда удается, так как собственных средств у института нет, инициативные темы уже несколько лет проводить не удается, а в ГК "Росатом" действуют очень жесткие правила, в соответствии с которыми инвестиционный проект должен окупиться не более чем за три года. Значимый прорыв за такой срок можно сделать только если уже подготовлен рынок и на разработку есть спрос. А если рынка нет, то в три года уложиться очень сложно, так как образец продукции нужно успеть не только получить и сертифицировать, но и "раскрутить".
В поиске финансирования для наших проектов, в том числе в области сверхпроводников, подаем заявки в Минобрнауки, пробуем работать с фондом "Сколково", но там очень высокая конкуренция, много нюансов при принятии решений. Тем не менее боремся за каждый проект, за каждый заказ.
Насколько эффективно сотрудничество с другими научно-исследовательскими учреждениями, российскими и иностранными?
В России, в традиционных для ВНИИНМ областях, связанных с разработкой ядерного топлива, очень плотно взаимодействуем с другими НИИ, входящими в структуру ГК "Росатом". В сфере сверхпроводящих материалов сотрудничаем с НИИЭФА, НИИТФА, а также НИЦ "Курчатовский институт", где установлена первая опытная линия по производству ВТСП второго поколения. В некоторых направлениях, например в производстве нанобериллия, мы фактически единственные на рынке, поэтому кооперироваться пока не с кем.
Международных проектов сейчас реализуется мало. В области НТСП, как уже было сказано, мы участвовали в проекте ИТЭР, а в разработке ВТСП, наверное, с нами пока не очень интересно сотрудничать, так как ведущие иностранные компании и институты в своих исследованиях ушли достаточно далеко вперед. Ощутимо и влияние санкций – отношение к нам западных коллег стало заметно холоднее.
Насколько острой является проблема подготовки научных и производственных кадров?
Недостаточный уровень подготовки молодых кадров для таких институтов, как наш, конечно, очевиден. Например, чтобы стать квалифицированным технологом по производству ядерного топлива, выпускнику вуза, получившему только общие знания, требуется, как минимум, пять лет. А готовых кадров для узкоспециальных областей в нынешних условиях в принципе быть не может, потому что, если инвестиций не хватает даже на развитие самой технологии, то на подготовку специалистов для нее средств тем более не найдется.
Каковы планы по развитию научно-технической деятельности института?
Развитие института во многом зависит от того, как государственная политика поддержки инноваций будет реализовываться на практике. Если новые технологии станут востребованы, то и мы будем развиваться. Многообещающих разработок, которые достаточно быстро могут быть доведены до промышленного внедрения, у нас множество, вопрос только в развитии спроса.
Со своей стороны мы должны обеспечить соответствие наших разработок тому, что в Гражданском кодексе названо "единой технологией". Это значит, что все новые проекты будут предусматривать создание комплекта документации, достаточного, чтобы технология была реализована там, где в ней есть необходимость.
Как на ваш взгляд можно повысить эффективность поддержки инноваций, и как должна быть организована связь между научными исследованиями и рынком?
Нам не хватает так называемого системного маркетинга. Я занимался изучением этой проблемы еще в начале 1990-х годов, знакомился с японским опытом, с опытом международных консалтинговых компаний. Это сложнейшая система, которая прогнозирует и планирует развитие рынков на годы вперед. Инновации должны последовательно доводиться от идеи до рынка, причем конечная стадия этого процесса – не выпуск готового продукта, а формирование спроса на него.
Обидно, что российский частный бизнес почти не участвует в венчурных проектах в области промышленных технологий, а государство делает это не самым эффективным образом. Идей в нашей стране множество, но, чтобы их реализовывать, должна быть создана система, которая позволяла бы находить средства и на проведение НИОКР, и на маркетинг. Когда инновации на деле начнут активно внедряться, в выигрыше будут и научно-исследовательские организации, и промышленность, и экономика страны в целом. ■
Спасибо за интересный рассказ.
С В.Б.Ивановым беседовал Д.Ю.Гудилин