Ученые Росатома создали российскую технологию производства листов из высокочистого ниобия для проектов mega science

18.04.2023

Специалисты Топливной компании Росатома «ТВЭЛ» из ВНИИНМ им. А.А. Бочвара (АО «ВНИИНМ», Москва) и Чепецкого механического завода (АО ЧМЗ; г. Глазов, Удмуртия) завершили разработку отечественной технологии изготовления листов из ниобия особой чистоты. 

Этот материал используется как основа для изготовления сверхпроводящих резонаторов – устройств, создающих электрическое поле для ускорения элементарных заряженных частиц: протонов, ионов и электронов. Именно ускорители частиц являются основным инструментом учёных в современной экспериментальной физике. Технологии на базе сверхпроводящих резонаторов заложены в основу исследовательских установок крупнейших научных проектов класса mega science, таких как FCC (ЦЕРН, Швейцария), CEPC (Китай), ILC (Япония), MYRRHA (Бельгия), NICA (Дубна, Россия), XFEL (Германия, с участием России).

Несмотря на то, что Росатом обладал доказанными компетенциями в изготовлении сверхпроводников на уровне мировых лидеров, до настоящего времени в России отсутствовало производство исходного материала – листов из высокочистого ниобия – такой технологией владели лишь несколько компаний в мире из Японии, США, Китая и Евросоюза. 

«Топливная компания Росатома «ТВЭЛ» расширила линейку инновационных продуктов мирового уровня и готова обеспечить продукцией из высокочистого ниобия научные проекты класса mega science. Это достижение укрепляет не только технологический суверенитет России в проведении научных исследований, но и экспортный потенциал. В частности, интерес к нашему резонаторному ниобию проявляют ученые из Азиатского региона для создания собственного прототипа сверхпроводящего линейного ускорителя частиц нового типа», - отметил старший вице-президент по научно-технической деятельности АО «ТВЭЛ» Александр Угрюмов. 

Инициатором и заказчиком новой разработки выступил Блок научно-технической деятельности АО «ТВЭЛ» (департамент по научно-технической деятельности неядерных производств). Идея создания собственной российской технологии изготовления материалов из сверхчистого ниобия впервые возникла в результате многолетнего научного сотрудничества Топливной компании ТВЭЛ с Европейским Центром Ядерных Исследований (ЦЕРН, Швейцария) в разработке сверхпроводящих ниобий-оловянных стрендов для ускорителей частиц. В качестве исходных требований к листам из ниобия была использована спецификация ЦЕРН, соответствующая самым высоким показателям для подобных материалов, достигнутых в мире на сегодняшний день. 

Так, в ходе разработки требовалось получить на листах коэффициент остаточного электросопротивления RRR более 300. RRR является интегральным показателем чистоты и качества материала, работающего при температурах жидкого гелия 4,2К. Кроме того, работа должна была быть выполнена применительно к существующему оборудованию АО ЧМЗ (получение слитков ниобия методом многократного электронно-лучевого переплава) и АО «ВНИИНМ» (получение листа). В ходе НИОКР на ЧМЗ была изготовлена опытная партия слитков ниобия диаметром 135-145 мм и общей массой более 300 кг, достигнут RRR более 400, что существенно превышало значение, полученное на слитках ниобия по штатной технологии. 

В АО «ВНИИНМ» из слитков была изготовлена квалификационная партия ниобиевых листов размерами 2х200х300 мм в количестве 50 штук с RRR более 300 и получены другие требуемые характеристики: размер зерна, механические свойства, химический состав, шероховатость поверхности, отсутствие несплошностей. Также в ходе НИОКР был доработан комплект технологических инструкций АО ЧМЗ, методики измерений, проведена их аттестация, разработаны технические условия. По итогам работы было создано несколько РИД (результаты интеллектуальной деятельности), оформлен патент и ряд ноу-хау.

Для справки:

Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара (АО «ВНИИНМ»; г. Москва) – ведущий научно-исследовательский институт по разработке технологий ядерного топливного цикла и по проблемам материаловедения. Входит в состав Топливной компании «ТВЭЛ» Госкорпорации «Росатом». На АО «ВНИИНМ» возложены функции Главного научного метрологического центра Госкорпорации Росатом. www.bochvar.ru

Топливная компания Росатома «ТВЭЛ» (Топливный дивизион Госкорпорации «Росатом») включает предприятия по фабрикации ядерного топлива, конверсии и обогащению урана, производству газовых центрифуг, а также научно-исследовательские и конструкторские организации. Являясь единственным поставщиком ядерного топлива для российских АЭС, ТВЭЛ обеспечивает топливом в общей сложности 75 энергетических реакторов в 15 государствах, исследовательские реакторы в девяти странах мира, а также транспортные реакторы российского атомного флота. Каждый шестой энергетический реактор в мире работает на топливе ТВЭЛ. Топливный дивизион Росатома является крупнейшим в мире производителем обогащенного урана, а также лидером глобального рынка стабильных изотопов.