Бинарные интерметаллические соединения бериллия (бериллиды) УМЗ – качественно новые материалы. Они обладают отличительными свойствами по жаропрочности и устойчивости к окислению, а также нейтронно-физическим характеристикам. По этой причине у них большой потенциал применения в ядерной и термоядерной энергетике, приборостроении, авиакосмической и других отраслях промышленности. Специалисты, ученые и исследователи со всего мира пророчат интерметаллидам бериллия большое будущее.
У бериллия нет пределов с точки зрения потребления. На протяжении многих десятилетий он используется в высоконаучных сферах. В частности, как конструкционный элемент в ядерных исследовательских реакторных установках – в качестве замедлителя/размножителя быстрых нейтронов. Большой интерес представляют новые сорта бериллия с более высокими качествами по прочности и пластичности. В этом направлении и идет сегодня основное развитие бериллиевого производства УМЗ.
Курс – на бериллиды
В последние годы АО «УМЗ» разрабатывает и внедряет технологии получения заготовок и изделий из различных бериллидов, а также изучает их свойства.
Евгений Франц, директор бериллиевого производства (БП) АО «УМЗ»:
– Поиск нового применения бериллия и создание новых материалов на его основе – постоянные задачи для наших технологов, ученых и маркетологов. Над идеей создания и продвижения интерметаллидов бериллия на БП задумывались уже давно. Научно-технический прогресс требует материалов с новыми свойствами, которые будут надежно работать в более жестких условиях эксплуатации. И бериллиды – это то, что нужно для применения в аэрокосмической отрасли и в создаваемых реакторах термоядерного синтеза.
В настоящее время лаборатория бериллия научного центра УМЗ усиленно работает над созданием уникальных продуктов для освоения новых рынков сбыта.
Сергей Ударцев, начальник лаборатории бериллия научного центра АО «УМЗ»:
– Речь о бериллидах титана/хрома/тантала – все они имеют возможность «жить» – найти свою нишу применения. Так как эти соединения и изделия из них в промышленном масштабе в мире еще не производятся и мало изучены, наша задача – исследовать, какие продукты высокого передела мы можем получать и какими свойствами и характеристиками они могут обладать. Поскольку это направление новое для нас, данную работу проводим в сотрудничестве с казахстанскими исследовательскими организациями. И в дальнейшем полученные образцы изделий из бериллидных бинарных соединений представим потенциальным потребителям как инновационный продукт, не имеющий аналогов в мире.
Уникальные разработки
К настоящему моменту есть первые результаты в получении заготовок и изделий из бериллидов тантала (Ta2Be17), хрома (CrBe12) и титана (TiBe12).
Сергей Ударцев, начальник лаборатории бериллия научного центра АО «УМЗ»:
– Бериллид тантала обладает высокой температурой плавления, равной 1980°С. Поэтому получение заготовок из данного материала – дело непростое. В результате работ получены заготовки диаметром 90 мм и высотой до 90 мм. Из них изготовили прототипы деталей, потенциально применимых в авиакосмической промышленности. Работы в этом направлении продолжаются. Интерметаллическое соединение бериллия и титана обладает температурой плавления около 1600°С. При разработке технологии получены заготовки размером 150×170 мм. В качестве целевого изделия была выбрана шестигранная конструкция блока-прототипа замедлителя нейтронов термоядерного реактора. Помимо шестигранника замкнутой формы изготовили шестигранники, фрагментированные на несколько частей. Также получили другие заготовки и изделия, что показало воспроизводимость технологии.
Добавление всего лишь одного атома титана к 12 атомам бериллия радикально меняет его структуру и свойства. Бериллид титана по сравнению с бериллием имеет гораздо высокие рабочие температуры плавления и лучшую коррозионную стойкость в воздушной и содержащей водяные пары среде. Он может работать в условиях, когда применение чистого бериллия невозможно. Кроме того, под воздействием нейтронного облучения вследствие ядерных превращений в бериллии нарабатываются газовые продукты – гелий и тритий. Они способствуют «распуханию» бериллия, ограничивая его срок службы в реакторе и вынуждая проводить его замену. Бериллид титана в гораздо меньшей степени подвержен такому «распуханию».
При изготовлении промышленных заготовок бериллида титана специалистам УМЗ пришлось решать ряд непростых задач.
Максим Колмаков, начальник цеха №3А бериллиевого производства АО «УМЗ»:
– В отличие от бериллия, производство заготовок из бериллида титана с помощью порошковой металлургии сложнее. Добавляются процессы синтеза интерметаллического соединения из двух исходных материалов и последующее его спекание с целью получить заготовку с плотностью, максимально близкой к ее теоретическому значению. При этом также необходимо получить однофазный материал – TiBe12, и не допустить присутствия другой, близкой по составу фазы Ti2Be17 (иначе при любой термообработке, даже просто остывании, возникают микротрещины из-за разницы в коэффициентах термического линейного расширения). Множество новых решений было применено как при получении заготовок, так и при изготовлении из них изделий.
На 31-м международном симпозиуме по технологии термоядерного синтеза SOFT 2020 разработка технологов и ученых УМЗ по заказу Технологического института города Карлсруэ, Германия, получила 2-е место. Тем самым международные эксперты единогласно признали, что у уникальной продукции УМЗ – бериллида титана – есть все шансы поучаствовать в строительстве проектируемого термоядерного реактора DEMO.
Тестирование в ITER
ITER – мегапроект по созданию международного экспериментального термоядерного реактора, над которым сейчас трудятся лучшие умы мира.
Манарбек Кылышканов, начальник научного центра АО «УМЗ»:
– Концепция управляемого термоядерного реактора – обеспечить человечество экологически чистым и практически неиссякаемым источником энергии. ITER называют искусственным солнцем на Земле, поскольку планируется использовать термоядерные реакции, происходящие в недрах солнца. Это слияние ядер изотопов водорода. При этом в процессе синтеза выделяется огромное количество энергии.
ITER строится в исследовательском центре ядерной энергетики города Кадараша на юге Франции. В общей сложности проект охватывает 35 стран. Казахстан получил возможность стать ассоциированным членом ITER. В качестве своего вклада в проект ITER наша республика предлагает установку КТМ – Казахстанский материаловедческий токамак, который построен в городе Курчатове Абайской области. Строительство комплекса ITER началось в 2013 году, сборка КТМ – в начале 2000-х годов.
окамак – тороидальная камера с магнитными катушками. В нее запускают изотопы водорода – дейтерий и тритий, и разогревают до температуры свыше 150 миллионов градусов Цельсия. Газ превращается в плазму, и чтобы плазма такой температуры не сожгла все вокруг, ее удерживают на расстоянии от стенок магнитным полем. В Токамак используется система бланкет. Ее назначение – улавливать высокоэнергичные нейроны, образующиеся при термоядерной реакции. В бланкете нейтроны замедляются, выделяя тепло. К 2025 году планируется получить первую плазму с выходом энергии.
Научным центром и сотрудниками бериллиевого производства УМЗ по заказу Технологического института Карлсруэ изготовлены демонстрационные и опытные образцы для исследований из бериллида титана. Выступая на 31-м международном симпозиуме по технологии термоядерного синтеза SOFT 2020, германские заказчики уверенно обратились к руководителям ITER с предложением протестировать ульбинский бериллид титана.
Рамиль Гайсин, доктор Технологического института Карлсруэ:
– На Ульбинском металлургическом заводе изготовлен первый в своем роде полноразмерный блок бериллида титана диаметром 144 мм и высотой 150 мм в промышленных условиях. Это готовый к использованию компонент бланкета. Огромным плюсом являются его характеристики. В этом материале очень низкое содержание урана – значительно меньше, чем, к примеру, в американском бериллии. Полученный бериллид имеет довольно высокую плотность, 98%, и небольшой размер зерен в 8 мкм, это очень твердый материал. И самое главное – он прошел термические испытания в режиме, который имитирует условия работы реактора. Ульбинский продукт выдержал все! Ни бериллий, ни свинец не смогут так работать. Только бериллид. Мы считаем, что весь потенциал инновации будет раскрыт в демонстрационных и дальнейших термоядерных реакторах.
Если эксперименты с ITER пройдут успешно, следующим этапом станет прототип термоядерного реактора – DEMO. DEMOnstration Power Plant – это предлагаемая термоядерная электростанция, созданная на базе ITER, на котором планируется непрерывная генерация энергии до 2 000 МВт. Ученые, обсуждая концепцию реактора DEMO, единодушны во мнении – выдержать более жесткое воздействие плазмы могут только интерметаллиды бериллия, например, бериллид титана.
Металл, который выдержит все!
В АО «УМЗ» в настоящее время продолжаются тесты-исследования поведения изделий из бериллида титана в условиях воздействия различных физических факторов, в частности, ресурсных термоциклических испытаний образцов блоков-прототипов.
Сергей Ударцев, начальник лаборатории бериллия научного центра АО «УМЗ»:
– Испытания представляют собой знакопеременное тепловое воздействие с различной динамикой. Эти работы выполняются в рамках сотрудничества с Технологическим институтом Карлсруэ с целью обоснования устойчивости блоков из бериллида титана к переменным тепловым нагрузкам, аналогичным тем, в которых планируется эксплуатация блоков в бланкете-размножителе проектируемого термоядерного реактора DEMO. Эксклюзивность на сегодня заключается в получении опытных заготовок на промышленном оборудовании в размерах, приближенных к реальным прототипам.
В настоящее время выполняется очередной этап ресурсных термоциклических испытаний шестигранного фрагментированного на шесть частей блока-прототипа в уточненных тепловых режимах.
Манарбек Кылышканов, начальник научного центра АО «УМЗ»:
– Сначала нашим заказчиком была поставлена задача – увеличить количество циклов «нагревания-остывания» до 150. После успешных испытаний число циклов увеличили до 500, а затем до 1 500(!). В течение полугода будем проводить оставшиеся 500 испытаний в особо экстремальных условиях. Это очень важно, поскольку мы должны быть уверены, что наш материал выдержит необходимое количество циклов при температурных нагрузках до 800 градусов. Данная работа ведется на базе научного центра УМЗ, в лаборатории бериллия.
Если эти испытания пройдут успешно и материал не разрушится, есть вероятность, что наш бериллид титана станет «кандидатом» для работы в термоядерных реакторах.
Отмечу, что мы первые, кто провел ряд испытаний (по запросу института Карлсруэ) с этим интерметаллидом. И материал их успешно выдержал.
Уникальным материалом УМЗ заинтересовались Национальный ядерный центр Республики Казахстан (Курчатов) и Институт ядерной физики РК ( Алматы). В сотрудничестве с ними лаборатория бериллия разработала план мероприятий по изучению фундаментальных свойств и параметров бериллида титана. В ближайшие два года ученые завода будут заниматься этими исследованиями, проводить эксперименты в экстремальных условиях, чтобы узнать, на что еще способен этот металл будущего.
Технологам и ученым УМЗ не раз бросали вызовы. И этот вызов – создание материала космической эры – достойно принят ими. Остается надеяться, что уникальная разработка завода в скором времени воплотится в необходимую продукцию и будет служить во благо человечества.
Разия СЕРТАЕВА, Алексей ПРОСКУРЯКОВ
г. Усть-Каменогорск