Титан в атомной энергетике: Титан и титановые сплавы для различных отраслей промышленности

Титан и титановые сплавы для различных отраслей промышленности

Основным потребителем российского титана остается зарубежное авиа- и двигателестроение, но есть тенденция на увеличение спроса со стороны предприятий других отраслей промышленности. Перспективные отрасли, в которых целесообразно применение титана – это атомная энергетика, нефтегазодобывающий комплекс, цветная металлургия.

Титановые сплавы для атомной энергетики
Все шире титан используют в качестве конструкционного материала для строящихся объектов российской атомной энергетики: для изготовления конденсаторов и рабочих лопаток паровых турбин, теплообменного оборудования. Титан обеспечивает гарантированный ресурс работы на период до 60 лет, что сопоставимо с закладываемым ресурсом ядерного реактора. Подобное оборудование уже поставлено на Ростовскую АЭС, Белоярскую АЭС и запланировано на строящиеся блоки Нововоронежской и Ленинградской АЭС. Основным поставщиком тонкостенных сварных труб для этих объектов является ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА». Предприятие поставляет штампованную заготовку лопатки паровой турбины длиной 1200 мм, тонкостенные сварные трубы с толщиной стенки от 0,45 мм до 1,24 мм как по российским, так и по американским и европейским стандартам. Для российских атомных объектов поставка труб осуществляется по техническим условиям, согласованным с Федеральной службой по экологическому,технологическому и атомному надзору.

Титан для добычи нефти и газа на шельфе
Титан – незаменимый материал для строительства установок опреснения морской воды, в сооружении морских платформ для разведки месторождений, добычи нефти и природного газа на шельфе. Процесс освоения нефтедобычи на морском шельфе, несмотря на более жесткие природные условия, сложную ледовую обстановку, представляет особый интерес для российских нефтяников. В настоящий момент реализуются работы на Каспийском шельфе, интенсивно идут работы на объекте «Сахалин-2» – введен в эксплуатацию завод по производству СПГ. Практически закончены работы по переоснащению плавучей буровой станции для месторождения «Приразломное». Смещены сроки по реализации проекта освоения Штокмановского месторождения. Но возможно эта отсрочка во времени позволит еще раз проверить конструкторские решения, т.к. ошибка на стадии проектирования является наиболее дорогой.

Дальнейшие прогнозы по шельфовой добыче достаточно оптимистичны: применение титана в этой области будет расти вследствие запланированного перемещения промысла на более глубокие участки шельфа. Так, газоконденсатное месторождение Штокмановское в Баренцовом море находится на глубине от 280 до 380 метров, а пласты с газовым конденсатом находятся на глубине от 1800 до 2300 метров. В связи с этим основные принципы проектирования и строительства морских установок, выбор материалов для морского применения при бурении в тяжелых геологических условиях становятся сегодня основополагающим вопросом в первую очередь для генерального заказчика как эксплуатирующей организации.

Морское применение титановых сплавов перспективно для следующих систем и оборудования для освоения нефтегазовых месторождений на шельфе: глубоководные бурильные райзеры; обсадные трубы; добывающие райзеры; насосы и системы забортной, питьевой, буровой и попутной воды; трубопроводы циркуляционной системы технологических растворов; сепараторы жидкостные, теплообменное оборудование различного назначения; сосуды высокого давления; высокопрочные гибкие растяжки для фиксации платформы.

На сегодняшний день тысячи тонн титана эксплуатируются в атомной энергетике, в судовых и наземных объектах, в опреснительных системах, в сфере морского нефте-и газопромысла, что свидетельствует о целесообразности применения титана в этих отраслях. Титан обладает рядом уникальных свойств:

1. Прочностные и коррозионные свойства. Титан по прочностным характеристикам аналогичен традиционным конструкционным сталям, но при этом на 45% легче. По коррозионной устойчивости титан превосходит многие широко применяемые конструкционные стали.

2. Эксплуатация при низких температурах. Титан и его сплавы характеризуются низкой температурой перехода от пластичного поведения к хрупкому и отличаются благоприятными уровнями вязкости разрушения даже при температурах ниже нуля градусов, и все титановые сплавы являются механически надежными при низких температурах как минимум вплоть до -100°С.

3. Наводораживание. Поглощение водорода и результирующее охрупчивание является ообщепризнанной опасностью для многих металлов в условиях их применения в морском нефте- и газопромысле. Оксидная пленка на титане обычно служит отличной преградой для водорода. Существуют условия, при которых возникает проблема наводораживания титана, однако этого можно избежать при правильном подходе к проектированию.

4. Сопротивление эрозии и кавитации. С помощью титана можно легко обеспечивать перемещение морской воды, текущей со скоростью вплоть до 30 м/сек. Присутствие абразивных частиц в воде обуславливает снижение максимально допустимой скорости, но любой титановый сплав будет по своим рабочим характеристикам превосходить большинство других материалов в тех условиях, при которых его оксидная пленка в случае ее повреждения будет автоматически восстанавливаться благодаря эффекту «самозалечивания». В тех случаях, когда имеются насосы достаточной мощности, скорости потока в системе титановых труб можно безопасно увеличивать, тем самым позволяя проектировать трубопроводы с трубами меньшего диаметра и меньшими радиусами загиба нитки. Выгодными последствиями использования титана являются экономия веса, пространства и затрат. В случае с титаном никакой защиты от эрозии на входе или выходе из трубопровода или в местах загиба нитки трубопровода не требуется.
5. Подходы к оценке затрат проекта. Не следует планировать бюджет для проекта титанового оборудования, исходя из стоимости по весу, особенно по весу стали или медных сплавов. Например, на стальных трубопроводах закладывается припуск на коррозию в размере 6 мм на сторону, учитывая при этом разницу в удельном весе титана и стали, то масса 1 п.м. трубы на Ду200 из титана составит 12,2 кг, а из стали 09Г2С 51,78 кг. Если к этому добавить экономию на эксплуатационных затратах за счет малого веса титановой конструкции и гарантированного длительного срока эксплуатации, то преимущества титана очевидны.

ВСМПО-АВИСМА для российских проектов
Корпорация ВСМПО-АВИСМА участвовала в крупнейших нефте- и газодобывающих проектах страны: переоснащение буровой плавучей станции «Приразломное» и строительство нефтедобывающего объекта «Обский-1» (титан применяется для подогревателя флюида с трубным пучком). Для проекта морской ледостойкой стационарной платформы (МЛСП) «Приразломное» Корпорация поставила под проект около 180 тонн титана, из них порядка 120 тонн – оборудование и элементы трубопроводов. Блок фильтров, предназначен для удаления взвешенных твердых частиц и органических частиц из морской воды Корпуса фильтров станции тонкой очистки для МПСП Приразломная

При строительстве буровых платформ наибольшая доля титана задействована для организации трубопроводных систем различного назначения. Корпорация может полностью обеспечить весь сортамент труб, необходимый для этих целей. Трубное производство ВСМПО оснащено мощным комплексом оборудования: гидравлическими прессами (усилием 20 000, 12 500, 3 500 тонн) для производства труб из алюминиевых сплавов, гидравлическими прессами (усилием 3 150 и 660 тонн) для производства труб и трубных заготовок, станом поперечно-винтовой прокатки ПВП 40-80
для производства горячекатаных труб, станом холодной прокатки труб ХПТ и ХПТР, волочильным станом, трубосварочным станом, а так же современными средствами ультразвукового контроля, токовихревого контроля, гидро- и пневматическими испытательными стендами.

Атомная энергетика

ЛАЭС-2

Сосновый Бор, Ленинградская область

ЛАЭС-2 – первая российская атомная станция нового поколения «3+» с улучшенными технико-экономическими показателями. Она возводится по проекту «АЭС-2006», который выполнен в соответствии с требованиями российского природоохранного законодательства, нормативными документами, и рекомендациями Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ). В проекте полностью соблюдены критерии радиационной безопасности. Строительство ведется в соответствии с Федеральной целевой программой развития ядерной энергетики.

Специалисты компании выполняют на ЛАЭС-2 полный комплекс строительных, механомонтажных и электромонтажных работ. Силами дочерних организаций «ТИТАН-2» произведены все работы подготовительного периода, включая разработку котлованов под основные сооружения первого и второго энергоблоков, выполнен основной объем монолитных и общестроительных работ.

Организация ведет монтаж технологического оборудования на ядерном и турбинном островах обоих энергоблоков, осуществляет электромонтажные работы, устройство систем вентиляции и пожарного водопровода во всех зданиях станции.

Ленинградская атомная электростанция

Сосновый Бор, Ленинградская область

Ленинградская АЭС — крупнейший производитель электроэнергии в Северо-Западном регионе России. Объект атомной энергетики обеспечивает до 50% энергопотребления города Санкт-Петербурга и до 40% потребности Северо-Западного федерального округа. С момента сдачи в эксплуатацию и по настоящее время организации холдинга «ТИТАН-2» выполняют на всех четырех энергоблоках станции работы, обеcпечивающие надежное функционирование технологического оборудования и систем, а также поддерживают в рабочем состоянии строительные конструкции зданий и сооружений ЛАЭС.

Организациями холдинга осуществляется весь спектр ремонтных, строительных, монтажных и наладочных работ. Проводятся ремонты реакторного, турбинного, насосного, теплообменного  и электрооборудования. Для обеспечения качества выполняемых работ разрабатывается технологическая документация и применяется современное высокотехнологичное оборудование. Специалисты холдинга проводят реконструкцию, модернизацию, капитальный и текущий ремонты более 2000 единиц оборудования станции.

Центральный комплекс кондиционирования и долгосрочного хранения радиоактивных отходов

Сайда Губа, Мурманская область

Специалисты компании выполнили монтаж кабельных металлоконструкций и системы вентиляции комплекса. Работы вели сотрудники участка электромонтажной компании холдинга — АО «СЭМ» и ЗАО «ТИТАНВЕНТЕХ». Общий объем работ составил — монтаж 34 систем силового электрооборудования приточной вентиляции и 53 систем вытяжной вентиляции.

Хранилище РАО Ленинградского спецкомбината «Радон»

Сосновый Бор, Ленинградская область

Организация занимается утилизацией радиоактивных отходов, образующихся в Северо-Западном регионе. В целях расширения ее возможностей и решения задач Федеральной целевой программы по обеспечению ядерной и радиационной безопасности было принято решение о строительстве хранилища твердых радиоактивных отходов.

Холдинг выступил генеральным подрядчиком проекта и произвел полный цикл работ по строительству и монтажу оборудования хранилища. Его объем составил порядка 5000 куб. метров. По технологии хранения предусмотрена упаковка переработанных и переведенных в безопасное состояние твердых радиоактивных отходов в сертифицированные невозвратные защитные контейнеры.

Реактор ПИК «Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова»

Гатчина, Ленинградская область

АО «КОНЦЕРН ТИТАН-2» выступил генеральным подрядчиком по строительству и сдаче «под ключ» реактора ПИК Петербургского института ядерной физики.

Высокопоточный пучковый реактор ПИК — единственный в России реализуемый проект современного источника нейтронов постоянного действия. По своим параметрам он не уступает лучшим в мире исследовательским реакторам, а по некоторым (максимальный поток нейтронов, число позиций на пучках) превосходит их. Экспериментальные возможности реактора ПИК являются уникальными.

Специалисты организации осуществили монтаж оборудования, обеспечивающего безопасную работу реактора, комплекс мероприятий на системе охлаждения и других подсистемах безопасности. Силами дочерних компаний холдинга проведены электромонтажные, механомонтажные и пусконаладочные работы.

Инвестиционный проект по продлению сроков эксплуатации энергоблока № 4 Ленинградской АЭС

Сосновый Бор, Ленинградская область

Продление сроков эксплуатации действующих энергоблоков Ленинградской атомной электростанции станции – одни из наиболее трудоемких и  масштабных работ, в  которых были задействованы организации холдинга «ТИТАН-2». Имея за плечами опыт по продлению срока эксплуатации трех энергоблоков ЛАЭС, АО «КОНЦЕРН ТИТАН-2» в 2008 выиграло конкурс на выполнение полного комплекса работ по модернизации  и продлению срока эксплуатации энергоблока № 4.  

В рамках крупного инвестиционного проекта «ТИТАН-2» выполнил на станции работы «под ключ», в том числе, работы по проектированию, поставке оборудования и сдаче объекта в эксплуатацию.В рамках проектно-изыскательских работ было выпущено более 5 000 альбомов рабочей документации, для обеспечения пускового комплекса энергоблока было поставлено несколько десятков тысяч единиц оборудования.

На объекте была проведена реконструкция всех систем безопасности энергоблока, блочного щита управления и резервного щита управления блока, резервной дизельной электростанции, заменены 199 технологических канала, завершены работы по переоблопачиванию турбин и др. Энергоблок №4 — второго поколения.  Он строился с учетом опыта строительства и эксплуатации первых блоков, а также с использованием более новой нормативной базы. Именно поэтому модернизация позволила продлить срок его службы не на 15, а на 20 лет — до 2031 года.

Продление эксплуатационного ресурса энергоблоков Ленинградской АЭС

Сосновый Бор, Ленинградская область

На Ленинградской атомной электростанции  — одной из первых в стране была осуществлена многоуровневая реконструкция, значительно повысившая уровень надежности и безопасности её работы. В рамках этой многолетней кампании был продлен ресурсный срок эксплуатации энергоблоков №1, №2 и №3. Для чего выполнена углубленная оценка  их безопасности, определён остаточный ресурс действующего оборудования и проведена модернизация систем  безопасности энергоблоков.

Организации холдинга принимали участие в данных работах как отдельные — строительные и монтажные организации. К особо уникальным работам, не производившимся ранее, можно отнести модернизацию системы аварийного охлаждения реактора (САОР), выполненную силами монтажников в сжатые сроки, а также  проведенную впервые замену технологических каналов реактора с целью восстановления зазора «ТК-графит» по технологии, которой владеют только предприятия холдинга «ТИТАН-2».

Комплекс по переработке и хранению РАО Ленинградской АЭС

Сосновый Бор, Ленинградская область

Строительство комплекса по переработке и хранению РАО ЛАЭС велось по заказу Государственного концерна «Росэнергоатом» в рамках работы по совершенствованию системы обращения с радиоактивными отходами за счет внедрения новых установок.  

К действующему хранилищу твердых радиоактивных отходов ЛАЭС, предназначенному для долговременного хранения низко-, средне- и высокоактивных твердых радиоактивных отходов (ТРО) был построен спецкорпус по переработке низко- и среднеактивных ТРО. Сооружение является высокотехнологичным объектом, призванным сделать существующую систему хранения РАО еще более надежной и экологически безопасной. 

Специалисты холдинга «ТИТАН-2» выполнили полный комплекс работ по строительству, монтажу, электромонтажу и пусконаладке спецкорпуса. Главным разработчиком технологий по переработке ТРО, конструкторской документации и поставщиком основного оборудования выступила немецкая фирма Nukem Technologies GmbH. Установку уникального оборудования провели специалисты холдинга.

Организации «ТИТАН-2» проводили работы как на основных зданиях комплекса, так и на объектах подсобного и обслуживающего назначения, участвовали в возведении кабельных эстакад, прокладке внешних сетей электроснабжения, связи и сигнализации, занимались устройством систем оборотного водо-, тепло-, паро- и воздухоснабжения.

Научно-исследовательский технологический институт им. А.П. Александрова

Сосновый Бор, Ленинградская область

Организации  холдинга «ТИТАН-2» участвовали в строительстве  единственного в Европе крупномасштабного стенда комплексных теплофизических и теплогидравлических испытаний (КМС), сооружаемого в НИТИ для экспериментальных исследований и обоснования безопасности проектов АЭС нового поколения;  в строительстве стендового комплекса по проведению испытаний и исследований судовых ядерных установок нового типа.

Сейчас на базе института идет процесс создания Северо-Западного научно промышленного центра атомной энергетики. По заказу ГК «Росатом»  осенью 2010 года холдинг «ТИТАН-2» приступил к техническому перевооружению и развитию экспериментальной базы института. На объекте проводится поэтапная модернизация оборудования, технологических систем, электрических и компьютерных сетей.

В рамках этого проекта организации холдинга выполняют работы по модернизации системы нормального технического водоснабжения, силового электрооборудования и электроосвещения,  а также систем пожаротушения и другие работы.

Планируемый срок окончания модернизации НИТИ – декабрь 2015 года.  

Производственное объединение «МАЯК»

Озерск, Челябинская область

Компания ведет работы по модернизации реакторной установки, а также работы по сооружению комплекса цементирования отходов.

Оценка титановых сплавов для первой стенки и бланкета термоядерных реакторов. Заключительный отчет (Технический отчет)

Оценка титановых сплавов для применения в первой стенке и бланкете термоядерных реакторов. Заключительный отчет (Технический отчет) | ОСТИ.GOV

перейти к основному содержанию

• Полная запись
• Другое связанное исследование

Результаты этого исследования показывают, что Ti-70A и Ti-6Al-4V очень устойчивы к радиации. Распухание пустот, которое является доминирующей формой радиационного повреждения в 316SS и других материалах-кандидатах, либо отсутствует, либо незначительно для титановых сплавов при температурах ниже 500°С. Радиационное повреждение ограничивалось образованием дислокаций в Ti-70A и Ti-6Al-4V и осаждением в Ti-6Al-4V, которые упрочняют и, возможно, вызывают некоторое охрупчивание. Как Ti-70A, так и Ti-6Al-4V были устойчивы к гелиевому охрупчиванию и по сравнению с другими данными были более устойчивы, чем 316SS.

Авторов:

Джонс, Р. Х.;

Леонард-младший, Б.Р.;

Джонсон-младший, A.B.

Дата публикации:

1980-06-01

Исследовательская организация:

Battelle Pacific Northwest Labs. , Ричленд, Вашингтон (США)

Идентификатор ОСТИ:

5171710

Номер(а) отчета:

ЭПРИ-АП-1433
РНН: 80-014525

Номер контракта с Министерством энергетики:  

АК06-76РЛ01830

Тип ресурса:

Технический отчет

Страна публикации:

США

Язык:

Английский

Тема:

70 ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ТЕХНОЛОГИЯ СТЯЖКИ; 36 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ; АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ; ФИЗИЧЕСКОЕ РАДИАЦИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ; ПЕРВАЯ СТЕНА; ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ; ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ; ВАНАДИЕВЫЕ СПЛАВЫ; ОХЛАБЛЕНИЕ; ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ; ТЕМПЫ ДОБЫЧИ ГАЗА; ГЕЛИЙ; ВЫСОКАЯ ТЕМПЕРАТУРА; ВОДОРОД; НЕЙТРОННЫЕ РЕАКЦИИ; СПЛАВЫ; БАРИОННЫЕ РЕАКЦИИ; КРИОГЕННЫЕ ЖИДКОСТИ; ДАННЫЕ; ЭЛЕМЕНТЫ; ЖИДКОСТИ; АДРОННЫЕ РЕАКЦИИ; ИНФОРМАЦИЯ; НЕМЕТАЛЛЫ; ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ; НУКЛОННЫЕ РЕАКЦИИ; ЧИСЛЕННЫЕ ДАННЫЕ; РАДИАЦИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ; РЕДКИЕ ГАЗЫ; ТЕСТИРОВАНИЕ; СТЕНЫ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА; ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ; 700209* — Технология термоядерной электростанции — Разработка компонентов и тестирование материалов; 360106 — Металлы и сплавы — Радиационные эффекты

Форматы цитирования

• MLA
• АПА
• Чикаго
• БибТекс


Джонс, Р. Х., Леонард, младший, Б. Р., и Джонсон, младший, А. Б. Оценка титановых сплавов для применения в первой стенке и бланкете термоядерного реактора. Заключительный отчет . США: Н. П., 1980.
Веб. дои: 10.2172/5171710.

Копировать в буфер обмена


Джонс, Р. Х., Леонард, младший, Б. Р., и Джонсон, младший, AB Оценка титановых сплавов для применения в первой стенке и бланкете термоядерного реактора. Заключительный отчет . Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/5171710

Копировать в буфер обмена


Джонс, Р. Х., Леонард, младший, Б. Р., и Джонсон, младший, А. Б. 1980.
«Оценка титановых сплавов для применения в первой стенке и бланкете термоядерного реактора. Заключительный отчет». Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/5171710. https://www.osti. gov/servlets/purl/5171710.

Копировать в буфер обмена

@статья{osti_5171710,
title = {Оценка титановых сплавов для применения в первой стенке и бланкете термоядерных реакторов. Итоговый отчет},
автор = {Джонс, Р. Х. и Леонард, младший, Б. Р. и Джонсон, младший, А. Б.},
abstractNote = {Результаты этого исследования показывают, что Ti-70A и Ti-6Al-4V очень устойчивы к радиации. Распухание пустот, которое является доминирующей формой радиационного повреждения в 316SS и других материалах-кандидатах, либо отсутствует, либо незначительно для титановых сплавов при температурах ниже 500°С. Радиационное повреждение ограничивалось образованием дислокаций в Ti-70A и Ti-6Al-4V и осаждением в Ti-6Al-4V, которые упрочняют и, возможно, вызывают некоторое охрупчивание. И Ti-70A, и Ti-6Al-4V были устойчивы к гелиевому охрупчиванию и по сравнению с другими данными были более устойчивы, чем 316SS. },
дои = {10.2172/5171710},
URL = {https://www.osti.gov/biblio/5171710},
журнал = {},
номер =,
объем = ,
место = {США},
год = {1980},
месяц = ​​{6}
}


Копировать в буфер обмена

Посмотреть технический отчет (8,22 МБ)

https://doi.org/10.2172/5171710

Экспорт метаданных

Сохранить в моей библиотеке

Вы должны войти в систему или создать учетную запись, чтобы сохранять документы в своей библиотеке.

Аналогичных записей в сборниках OSTI.GOV:

• Аналогичные записи

Титан, устойчивый к облучению, и другие виды использования АМ в атомной промышленности »

Будьте в курсе всего, что происходит в чудесном мире AM, через наше сообщество LinkedIn.

Возможно (и буквально) одним из самых горячих сегментов для внедрения AM является гражданская атомная промышленность. С тех пор, как компания Siemens успешно установила напечатанную на 3D-принтере деталь — металлическую крыльчатку диаметром 108 мм для противопожарного насоса — на атомной электростанции Кршко в Словении, аддитивное производство в атомной отрасли стало разрабатывать несколько новых приложений. С подходящими материалами, включая керамику и тугоплавкие металлы, AM можно использовать для устаревших деталей, которых больше нет в наличии, что позволяет старым электростанциям безопасно продолжать свою работу. Радиационно-защитные материалы, такие как карбид бора, теперь доступны в виде порошков для распыления связующего в системах ExOne. А в прошлом году шведские компании, занимающиеся 3D-печатью, Additive Composite и Add North 3D выпустили новую композитную нить из карбида бора, пригодную для радиационной защиты в атомной промышленности.

Атомная электростанция Кршко в Словении

Два исследования, которые только что получил 3dpbm, в соавторстве с Юрием Билобровым и впервые опубликованные несколько лет назад, посвящены тому, как можно использовать аддитивное производство для изготовления деталей из титана, которые могут лучше противостоять нейтронному и протонному облучению. По мере того, как аддитивное производство становится все более распространенным методом производства как в атомной, так и в космической промышленности, эта бумага приобрела новое значение.

Исследования сосредоточены на том, как тяжелые условия работы требуют удачного состава для конструкционных сплавов. В частности, они рассматривают порошковый спеченный композит Ti-6Al-4V/LaB6 (типичный титан, используемый в АМ с добавлением гексаборида лантана), созданный для атомной промышленности с использованием дегидрирования и спекания компактов в вакуумной технологии, достиг уровня литого Сплав Ti-6Al-4V. Проблема пористости решается путем заполнения пор химическими соединениями LaBxOy и TiB. Эти материалы могут также препятствовать росту зерен сплава. Это важная особенность как для литых сплавов, так и для порошковой металлургии, а также для сварных швов и изделий, созданных аддитивными методами производства.

Основной вывод, сделанный в этих работах, заключается в том, что добавление 0,08 % по массе бора (в форме гексаборида лантана) в напечатанные на 3D-принтере титановые детали может быть эффективным методом упрочнения без потери пластичности, что приводит к повышению устойчивости к облучению.

Протонное излучение солнечного ветра на спутниках в космосе

Долгосрочный рациональный подход заключается в использовании большого и свободного космического вакуума для возможностей аддитивного производства на орбите. В этом случае станет необходимой способность печатных материалов противостоять солнечному облучению. Чрезвычайно низкие значения остаточного давления вне космического корабля устраняют ряд факторов, ограничивающих размеры вакуумных камер исследовательских приборов. Для наружных вакуумных камер не нужны самые громоздкие вакуумные насосы и очень толстые стенки.

Увеличенные габариты могут позволить хранить в вакууме большое количество образцов, подготовленных для космических аддитивных технологий. Космическая 3D-печать в вакууме на борту космического корабля позволяет создавать металлические изделия без оксидной пленки на поверхности. Это упрощает обработку сигналов акустической эмиссии за счет уменьшения объема информации, поступающей от датчиков. Отсутствие наложения сигналов от растрескивания оксидной пленки и разрушения основного металла расширяет возможности неразрушающего контроля металлических деталей. Идеальным решением является проволока Ti-6Al-4V/LaB6, служащая сырьем для быстрого прототипирования в условиях микрогравитации (а со временем и для серийных деталей).

Нейтронное воздействие в ядерных реакторах на Земле

Жесткие условия радиационного упрочнения с охрупчиванием в ядерных реакторах требуют наличия у материалов запаса пластичности. Сложные детали, изготовленные AM, имеют много уязвимых мест. Большая часть повреждений приходится на участки с максимальной хрупкостью. Специфические требования атомной отрасли могут быть решены за счет сочетания проверенных временем технологий модернизации существующих сплавов с применением новых материалов как отдельно, так и в сочетании с существующими.

Комбинация методов механического уменьшения размера зерен трением с перемешиванием или высокотемпературной деформацией, с использованием Tih3 вместо порошка титана, модификации гексаборидом лантана, хромированием или лазерной очисткой поверхностей перед соединением, применением вакуума вместо инертной атмосферы и последующая термообработка может позволить производить сплавы без компромисса между прочностью и пластичностью.

В данном исследовании обсуждаются металлургические аспекты модификации титановых сплавов для использования в атомной промышленности. Облучение приводит к упрочнению, пластической нестабильности и снижению вязкости разрушения титановых сплавов. Спеченные композиции Ti–6Al–4V, Ti–6Al–4V/LaB6 продемонстрировали методы снижения охрупчивания.

Остаточная пористость может служить временным хранилищем продуктов ядерного распада H и He. Высокая равномерность распределения элементов снижает количество мест, предрасположенных к образованию кластеров дефектов. Запас пластичности Ti–6Al–4V/LaB6 по сравнению с международными стандартами составляет ≈10 %. Соединения бора при частичном поглощении нейтронов заполняют объем остаточных пор в материале, не ухудшая свойств матричного сплава Ti–6Al–4V/LaB6.

Более раннее использование AM в атомной промышленности

Расширенные исследования по использованию напечатанных на 3D-принтере заменителей и запасных частей для ядерных реакторов официально начались в 2016 году, когда Министерство энергетики США (DOE) объявило, что GE Hitachi Nuclear Energy (GEH) была выбрана для руководства аддитивным производством стоимостью 2 миллиона долларов. исследовательский проект. Проект является частью более чем 80-миллионной инвестиции в передовые ядерные технологии.

Компания GEH возглавила проект по производству образцов запасных частей для атомных электростанций. Образцы были напечатаны в металле на 3D-принтере на заводе GE Power Advanced Manufacturing Works в Гринвилле, Южная Каролина, а затем отправлены в Национальную лабораторию Айдахо (INL). После облучения в усовершенствованном испытательном реакторе INL образцы были протестированы и сравнены с анализом необлученного материала, проведенным GEH. Результаты теперь используются GEH для поддержки развертывания 3D-печатных деталей для топлива, услуг и новых применений на заводе.

В феврале 2018 года российская государственная атомная энергетическая компания «Росатом» учредила компанию по разработке технологий аддитивного производства. Компания уже разработала предсерийный прототип 3D-принтера поколения II, который будет использоваться как для металлических, так и для композитных деталей аддитивного производства при производстве ядерной энергии.

Новая компания РусАТ (Русатом – Аддитивные технологии, предприятие Топливной компании ТВЭЛ) – интегратор атомной отрасли в области аддитивных технологий (трехмерная печать). Деятельность компании сосредоточена на четырех ключевых направлениях: производство линейки 3D-принтеров и их компонентов, создание материалов и металлических порошков для 3D-печати, разработка интегрированного программного обеспечения для аддитивных систем, а также оказание услуг по 3D-печать и внедрение аддитивных технологий в производство (в том числе, в части организации производственных центров).

РусАТ руководил проектом специалистов Всероссийского научно-исследовательского института технической физики (ВНИИТФ) по разработке и изготовлению опытных образцов лазеров мощностью 200, 400, 700 и 1000 Вт для использования в SLM-принтерах. Модельный ряд лазерных источников пройдет комплекс испытаний в РФЯЦ-ВНИИЭФ, после чего будет направлен в Центр аддитивных технологий РусАТ на площадке Московского завода полиметаллов для дальнейшего тестирования на 3D-принтерах RusMelt 300M и RusMelt 600M.

До конца 2021 года организация планирует провести полный цикл испытаний лазерных источников в соответствии с требованиями ГОСТов и подготовить линию к серийному производству..

Последние ядерные разработки для AM

Совсем недавно компания Westinghouse Electric Company установила компонент, напечатанный на 3D-принтере, в коммерческий ядерный реактор на атомной электростанции Exelon Byron Unit 1 во время его весеннего отключения для дозаправки. Westinghouse использует порошковую сварку металлов AM, а также лазерную сварку горячей проволокой (HWLW) в рамках своего передового производственного предложения. Также продолжаются исследования и разработки, направленные на выявление дополнительных областей применения 3D-печати в атомной промышленности.

Компания Westinghouse Electric установила компонент, напечатанный на 3D-принтере, в коммерческий ядерный реактор на АЭС Байрон, блок 1 компании Exelon.

Одной из таких программ, поддерживаемой Управлением ядерной энергетики Министерства энергетики США, является Демонстрационная программа Transformational Challenge Reactor (TCR) — беспрецедентный подход к разработке 3D-печатной активной зоны реактора к 2023 году. В рамках развертывания 3D-печатного ядерного реактора программа будет создать цифровую платформу, которая поможет передать технологию в промышленность для быстрого внедрения ядерно-энергетических технологий аддитивного производства. С помощью программы TCR ORNL ищет решение тревожной тенденции: хотя атомные электростанции обеспечивают почти 20% электроэнергии в США, более половины американских реакторов будут выведены из эксплуатации в течение 20 лет, исходя из текущих сроков действия лицензий.

В настоящее время дела в ядерной отрасли развиваются очень быстро — большое изменение по сравнению с прошлым — особенно в области ММР (малых модульных реакторов), которые представляют собой уменьшенные версии ядерных реакторов, включая текущее и IV поколение (быстрые нейтроны). технологии. Совсем недавно, 15 мая 2020 года, Министерство энергетики США предоставило GE Research и Массачусетскому технологическому институту (MIT) гранты на исследовательские проекты по разработке технологии цифровых двойников для усовершенствованных ядерных реакторов с использованием искусственного интеллекта и передовых средств управления моделированием. Исследовательские проекты будут использовать цифровой двойник малого модульного реактора BWRX-300 компании в качестве эталонного проекта.

Печать урана

В 2021 году французский лидер атомной отрасли Framatome изготовил первые в мире уран-молибденовые и уран-кремниевые объекты с использованием технологии 3D-печати. Объекты были изготовлены в Лаборатории исследований и инноваций CERCA (CRIL). Этот технологический скачок способствует разработке и производству топливных пластин из металлического урана для исследовательских реакторов и мишеней для облучения медицинских изотопов, широко используемых в больницах для диагностики рака.

Схема предприятий Framatome, связанных с ураном

Уран-молибденовые и уран-кремниевые объекты были напечатаны методом 3D-печати слой за слоем с использованием оборудования для лазерной плавки (лазерного PBF). Это оборудование соответствует требованиям ядерной энергетики и работает в перчаточном боксе в атмосфере инертного газа аргона. Производственный проект был разработан специалистами Framatome R&D в тесном сотрудничестве с Технологическим университетом Бельфор-Монбельяр.