textarchive.ru

Главная > Документ


Твэл с керамической оболочкой должен быть коротким! Именно, исходя из этого положения, в ГНЦ РФ-ФЭИ была предложена новая конструкция тепловыделяющей сборки (патент на изобретение №2179752). В отличие от традиционных ТВС, в которых тепловыделяющие элементы располагаются вдоль направления течения теплоносителя, в предложенной сборке твэлы расположены поперек потока теплоносителя. Это позволяет уменьшить длину твэлов до 20-30 см. Изготовление качественных керамических оболочек такого размера представляется уже гораздо более реальной задачей.

При поперечном расположении каждый твэл по всей своей длине находится в одинаковых температурных и радиационных условиях, что исключает появления термических напряжений и напряжений, связанных с неравномерностью накопления радиационных дефектов. Отметим также, что высокая температура теплоносителя (~1000ºC) будет способствовать отжигу радиационных дефектов, т.е. повышению радиационной стойкости керамических конструкций.

Еще одной проблемой, возникающей при создании оболочек твэл, является обеспечение их работоспособности в аварийных ситуациях, особенно в авариях с быстрой потерей теплоносителя. В таких случаях, рассматриваемых обычно как максимальные проектные аварии, еще до ввода в действие систем аварийного охлаждения наблюдается быстрый рост температуры твэлов на несколько сот градусов. В результате этого резко повышается давление газовой смеси внутри твэла. В твэлах с металлической оболочкой при температуре ~700ºC и перепаде давления 2МПа происходит вздутие оболочки, перекрытие проходного сечения ТВС, что затрудняет аварийное охлаждение активной зоны и, в конце концов, приводит к разрушению твэлов, попаданию в 1 контур большого количества радиоактивных продуктов деления.

Как уже было сказано, керамические материалы обладают высокой термической стойкостью и вполне способны перенести кратковременное повышение температуры до 2000ºС и даже больше. Для решения проблемы внутреннего давления нами предложено следующее техническое решение (патент на изобретение №2179751). Тепловыделящие элементы снабжаются плавкими предохранительными клапанами, размещенными в торцевых заглушках, которые, в случае аварии с потерей теплоносителя, при достижении критической температуры расплавятся и выпустят из оболочки излишний газ (смесь криптона, ксенона и гелия), что приведет к выравниванию внутреннего и внешнего давления и предотвратит разрушение оболочек.

Описанные выше новые технические решения (малые размеры твэлов, снижение термических напряжений и предотвращение больших скачков внутреннего давления в твэле) создают условия, при которых изготовление и надежная работа оболочек твэлов и тепловыделяющих сборок из керамического материала становятся реальными.

Еще одна важная предпосылка успешной работы в данном направлении это улучшение свойств самой керамики – повышение ее пластичности, теплопроводности, прочности и радиационной стойкости. Сегодня на этом пути наметился значительный прогресс. В ГНЦ РФ-ФЭИ выполнен цикл работ по модификации свойств керамики с помощью ультрадисперсных добавок, позволяющих в несколько раз улучшить теплопроводность керамического материала (шпинели), повысить прочность и пластичность керамики. Экспериментально показана высокая радиационная стойкость керамики на основе диоксида циркония. Разумеется, есть заделы и в других организациях, например, опыт создания высокотемпературных твэлов для ядерных ракетных двигателей. Большие перспективы открывает применение нанотехнологий производства высокопрочных и термостойких углеродных волокон и пленок, которые также могли бы найти применение при изготовлении оболочек твэлов.

Именно с разработки и обоснования работоспособности короткого керамического твэла с большой загрузкой тяжелых атомов могут начаться работы по созданию высокотемпературного БР. Этот сугубо научная задача, она не требует больших материальных вложений, но результат – надежный твэл с керамической оболочкой, может дать толчок к развитию качественно новых реакторных концепций и технологий.

Естественное начало перехода российской атомной энергетики на НТП это реализация всего имеющегося опыта в рамках проекта АЭС-2006, включая возможность использования МОХ-топлива в реакторах ВВЭР нового поколения. Необходимое условие существования масштабной атомной энергетики − замыкание топливного цикла и решение проблемы ОЯТ действующих реакторов. Дальнейшее развитие НТП включает в себя разработку кипящих корпусных реакторов большой мощности с естественной циркуляцией теплоносителя, а затем легководных кипящих реакторов с коэффициентом воспроизводства близким к 1.

Качественно новый этап формирования НТП связан с освоением температурного уровня ~1000ºC, с развитием газоохлаждаемых высокотемпературных реакторов сначала на тепловых, а затем и на быстрых нейтронах и с переходом к атомно-водородной энергетике. Ясно, что создание высокотемпературного БР является весьма отдаленной перспективой. Сегодня это чисто научная задача, от решения которой, однако, во многом зависит прогресс всего человечества, его энергетическая безопасность. Но именно такими задачами и должна заниматься настоящая наука.

Концепция тепловыделяющей сборки с короткими твэлами, защищенными от перепадов давления, открывает возможность создания термостойкой активной керамической зоны с относительно малой долей керамического материала и большой загрузкой топлива, что как раз и требуется для высокотемпературного газоохлаждаемого реактора на быстрых нейтронах. Короткий керамический твэл – первый шаг на пути к высокотемпературному БР.

Описанный маршрут логично вытекает из всей предшествующей полувековой истории атомной энергетики, из реальных потребностей сегодняшнего дня и ближайшего будущего. Новая технологическая платформа России должна создаваться эволюционным путем в русле развития мировой атомной энергетики. Если же время и средства вновь будут потрачены на погоню за очередным невиданным в мире чудо-реактором с «природной», «естественной» или даже «божественной» безопасностью и столь же неслыханной экономичностью, то в недалеком будущем это может закончиться для нас строительством современных АЭС по иностранным лицензиям.

Технопарк первого наукограда России для проекта «АЭС-2006»

Проект Технопарка в г. Обнинске реализуется на основании государственной программы "Создание в Российской Федерации технопарков в сфере высоких технологий", одобренной Распоряжением Правительства РФ от 10 марта 2006 года №328-р. Научно-производственное предприятие «Радиационный контроль. Приборы и методы» приступило к реализации инвестиционного проекта, предусматривающего создание современного производства комплекса программных и технических средств радиационного контроля «РАДСИС». Максимальная проектная мощность производства должна обеспечивать ежегодный выпуск трех комплектов автоматизированных систем радиационного контроля для серийных энергоблоков ВВЭР-1000. Кроме производства предполагается осуществлять полный спектр сервисных услуг на всех стадиях реализации проектов СРК – разработка технического проекта, монтажные и пуско-наладочные работы, сервисное гарантийное и послегарантийное обслуживание.

В соответствии с лицензионным соглашением, подписанным с одним из мировых лидеров ядерного приборостроения – компанией MGP Instruments (Франция), производство основывается на комплектующих и технологических картах, применяемых при производстве системы радиационного контроля «RAMSYS», которая используется на более 200 объектах атомной энергетики на всех континентах.

Несомненными достоинствами комплекса «РАДСИС» являются:

  • Оптимизация объема радиационного технологического контроля и радиационного контроля помещений на основе применения широкодиапазонных устройств детектирования в составе измерительных каналов АСРК, что обеспечивает снижение стоимости изготовления и поставки на 10-15%.

  • Сокращение сроков монтажа и ввода в эксплуатацию системы (ПНР) за счет модульности применяемых технических средств и высокой степени подготовки измерительного канала в ходе производства. Сокращение сроков монтажа основного оборудования не менее чем в два раза.

  • Сокращение эксплуатационных издержек, включая прямые затраты (комплектация и поддержание неснижаемого ЗИП и расходных материалов) и затраты на оплату труда персонала, занятого обеспечением эксплуатации СРК - не менее чем на 25% - за счет унификации и высокой надежности применяемых технических и программных средств.

  • Обеспечение конкурентоспособности на зарубежных рынках за счет полного соответствия выпускаемой продукции стандартам ЕС и рекомендациям МАГАТЭ.

Научно-производственным предприятием «Радиационный контроль. Приборы и методы» с 1998 года реализован целый ряд значимых проектов в области обеспечения радиационного контроля на объектах атомной энергетики. Среди них – отраслевая автоматизированная система индивидуального дозиметрического контроля (ОАСИДК) концерна «Росэнергоатом», программно-технический комплекс верхнего уровня системы радиационного контроля 3-го энергоблока Калининской АЭС, программно-технический комплекс верхнего уровня системы радиационного контроля атомного ледокола имени 50-летия Победы и др.

Моделирование процессов дефектообразования в структурах «Кремний на сапфире» при радиационных воздействиях

Скупов А.В., Оболенский С.В., ФГУП «ФНПЦ НИИ измерительных систем им. Ю.Е.Седакова»

Изготовление микросхем на основе структур «кремний на диэлектрике» считается одним из перспективных направлений развития микроэлектроники [1-3]. В настоящее время в России промышленно освоен и коммерчески доступен вариант этой технологии с использованием гетероэпитаксиальных слоев кремния на сапфировых подложках (КНС). Однако, сопряжение различных по кристаллической структуре и физическим свойствам материалов (кремния и сапфира) обуславливает ряд особенностей, отличающих КНС подложки от подложек из объемного кремния [3, 4]:

- наличие переходного слоя переменного атомного состава и аморфного строения у границы раздела кремний-сапфир;

- сильное автолегирование приборного слоя кремния алюминием и кислородом, диффундирующими из подложки;

- высокая плотность структурных ростовых дефектов в эпитаксиальном слое кремния;

- упруго-напряженное состояние приборного слоя;

- заряд на границе раздела «кремний-сапфир» и другие.

В результате многочисленных исследований установлено, что вышеперечисленные особенности влияют на протекание процессов сопровождающих технологические обработки при формировании микросхем, и на их функционирование, как в нормальных условиях, так и при воздействии внешних дестабилизирующих факторов, в частности радиационном. Цель нашей работы – исследование и оценка степени влияния особенностей строения КНС-структур на протекание процессов, происходящих в них при ионной имплантации. Полученные результаты имеют практическую значимость и при анализе реакции изготовленных по технологии КМОП-КНС микросхем, на воздействие других видов корпускулярного излучения. Основной метод исследования – это компьютерное моделирование. Ниже приведены основные результаты, полученные к настоящему времени.

Предложена модель расчетов на основе метода Монте-Карло параметров профилей пространственного распределения атомов имплантируемой примеси и радиационных дефектов в структурах КНС, учитывающая неоднородность строения гетерокомпозиции [5]. В отличие от «традиционных» моделей в рассмотрение введены дополнительные слои, моделирующие переходные области вблизи границ раздела сопрягающихся материалов. Плотность и химический состав материала этих областей структуры отличаются от характерных для объемных кремния, диоксида кремния, сапфира. Для оценки плотности соответствующих областей гетероструктуры использовались данные эллипсометрических измерений показателя преломления переходных слоев SiO2-Si и Si-Al2O3 и эпитаксиальной пленки кремния на сапфировой подложке. Также учтено уменьшение толщины эпитаксиальной пленки кремния при выращивании на ней слоя диоксида кремния.

Проведены расчеты профилей пространственного распределения атомов бора и фосфора, внедряемых с энергиями 30, 60 и 100 кэВ, а также фосфора с энергией 180 кэВ. Установлено, что для легких ионов (бор) с энергией 60 кэВ при расчетах среднего проецированного пробега по предложенной модели наблюдаемое приращение значений этого параметра составляет 18% по сравнению со значениями, полученными по «традиционной» модели, где вышеперечисленные особенности гетерокомпозиции не учтены. При больших и меньших значениях энергии (30 и 100 кэВ) увеличение составляет 16% и 11% соответственно. Максимальное приращение латеральных пробегов составляет 20% для ионов бора, внедряемых с энергией 30 кэВ, и уменьшается с ростом энергии имплантации (до 10% при 100 кэВ). Приращение значений дисперсии проецированных и латеральных пробегов при переходе от модели к модели составляет более 20%. Отличие значений концентрации внедренной примеси и точечных радиационных дефектов на одном и том же расстоянии от облучаемой поверхности для двух моделей может превышать 100%. Для ионов средних масс (фосфора), в основном, характерны те же закономерности, но эффекты, связанные с наличием переходных слоев, проявляются при больших энергиях имплантации. Так максимальное отличие средних проецированных пробегов, равное 17,8%, наблюдается при энергии 180 кэВ. Но отличие значений латеральных пробегов увеличивается с ростом энергии внедрения ионов фосфора от 8% при 30 кэВ до 21% при 100 кэВ. Таким образом, показано, что особенности строения гетерокомпозиций оказывают существенное влияние на положение максимумов концентрации атомов имплантированных примесей и радиационных дефектов, и должны учитываться при задании режимов ионной имплантации в технологии изготовления интегральных схем на основе гетероструктур КНС.

На следующем этапе работы методом компьютерного моделирования исследовано влияние дефектов кристаллической структуры эпитаксиального слоя кремния на сапфировой подложке на параметры профилей пространственного распределения атомов легирующих примесей и радиационных дефектов, вводимых ионной имплантацией [6]. Для проведения расчетов разработана программа на основе модифицированного с учетом предложенной модели дислокационной структуры «мишени» «TRIM»-алгоритма. Дислокации и более сложные структурные дефекты представляются локальными областями, внутри которых изменяются энергия дефектообразования и длина свободного пробега ускоренных частиц. Области дефектов распределены по объему приборного слоя в соответствии с полученным аппроксимацией экспериментальных данных профилем распределения плотности структурных дефектов, типичным для кремния на сапфире.

Для ионов бора и фосфора с энергиями 30, 60 и 100 кэВ рассчитаны профили пространственного распределения атомов внедряемой примеси и радиационных дефектов в гетерокомпозиции КНС с учетом дислокационной структуры по предложенной модели. Сравнительный анализ полученных данных с результатами расчета без учета дислокационной структуры показал следующее:

  1. профиль распределения атомов внедренной примеси для обоих типов внедряемых ионов во всем интервале рассматривавшихся энергий изменяется незначительно. Изменение среднего проецированного и латерального пробегов ионов, а также их дисперсии, составляет менее 5%.

  2. профиль пространственного распределения радиационных дефектов на примере вакансий кремния не изменяется по форме, но концентрация вакансий на одном и том же расстоянии от облучаемой поверхности для двух моделей может отличаться в несколько раз для обоих типов ионов.

Таким образом, показано, что исходная (до облучения) дефектная структура гетерокомпозиций оказывают существенное влияние на концентрацию радиационных дефектов, вводимых при ионной имплантации, и должны учитываться при прогнозировании результатов ионно-лучевой модификации свойств подложек в технологии изготовления интегральных схем на КНС.

В настоящее время проводится разработка моделей и программных средств для анализа комплексообразования и диффузионного перераспределения примесей и дефектов при постимплантационном отжиге.

Результаты проведенных в работе теоретических исследований, могут быть использованы для интерпретации экспериментальных данных об атомном и дефектном составах приборных слоев как исходных, так и легированных структур «кремний на сапфире».

МАТЕРИАЛЫ

Нанопористые материалы

Трусов Л.И., ассоциация «АСПЕКТ»

Ученые нередко стремятся работать над теми проблемами, которые, по их мнению, окажут наибольшее воздействие на научно-технический прогресс. Как правило, такая активность приводит к довольно строгой корреляции между количеством публикаций и активностью в соответствующей области экономики. Анализ показал, что в прошлом резкий рост публикаций в области исследования, например конструкционных и полупроводниковых материалов, коррелировал с резким ростом финансовой и промышленной активности в соответствующих областях.

Так, например, удвоение количества публикаций в области исследования полупроводниковых материалов коррелировало с увеличением общемирового роста экономики полупроводниковой промышленности с 88,7 миллиарда до почти 160 миллиардов долларов. Сопоставление динамики роста публикаций в области исследования конструкционных и полупроводниковых и наноматериалов показывает, что активность в области исследований наноматериалов превзошла активность в области исследования конструкционных материалов в середине 1990-х. В 2002 году количество публикаций по наноматериалам сравнялось с количеством публикаций по полупроводниковым материалам, а уже в 2004 году активность в области наноматериалов уже вдвое опережала показатели в области полупроводниковых материалов. Обращает на себя внимание, что общее количество публикаций в области нанопроцессоров, наносенсоров, новых лекарственных препаратов и других приоритетных направлений нанотехнологий в 2004 году составило менее половины от общего числа публикаций по наноматериалам. Большая часть публикаций в 2004 году отражает исследования в области нанопористых материалов. Это связано, прежде всего, с тем, что основные области применения нанопористых материалов связаны с такими бурно развивающимися отраслями, как водородная и углеводородная энергетика, новые технологии переработки минерального и органического сырья, появлением принципиально новых подходов к стерилизации продуктов фармакологии, пищевой промышленности и биотехнологии.

Приведем лишь несколько примеров практического использования нанопористых материалов. Ассоциация «АСПЕКТ» создала пилотное производство металлокерамических наномембран TrumemÒ, включающее уникальный технологический комплекс «АСПЕКТ» для нанесения керамических слоев на пористую металлическую подложку. Основная идея создания комплекса состоит в последовательном нанесении на подложку различных слоев, отличающихся толщиной, размерами пор и объемной пористостью. Каждый из слоев может быть изготовлен из различных металлических или диэлектрических материалов. Достижением является создание градиентной пористости в любом из наносимых слоев.

Роботизированные узлы комплекса обеспечивают программируемую сдвиговую деформацию на поверхности формируемых слоев, что позволяет управлять параметрами их пористой структуры. Слои наносятся на непрерывно движущуюся ленту, причем каждый элемент подвергается воздействию нагрева, нанесения нанодисперсий и сдвиговой деформации по заданной программе. Выбор материалов слоев, размещение каталитических кластеров, соотношение толщин слоев и характеристик их пористой структуры позволяет получать металлокерамические структуры для создания мембранно-каталитических реакторов и широкого спектра мембранно-фильтрационных устройств.

Мембранные установки, разработанные в Ассоциации «АСПЕКТ» на базе мембран TrumemÒ, позволили создать универсальное оборудование, которое можно использовать практически для любых видов сырья. Под конкретную проблему в установке заменяются только мембраны с соответствующим размером пор, структурой и композицией слоев. Высокая степень очистки жидкости (ультрафильтрация) и производительность оборудования всегда зависят от свойств фильтрующего материала. Многослойные металлокерамические мембраны позволили создавать высокопроизводительные, долговечные, недорогие и компактные конструкции, которые способны либо полностью заменить громоздкие сооружения, обслуживание которых требует постоянных затрат. Но самое главное преимущество состоит в том, что мембраны самоочищаемы, то есть процесс фильтрации не требует остановки для регенерации или замены фильтрующего элемента.

Одно из самых масштабных и «прорывных» применений нанопористых мембранных материалов — разработка и создание так называемых наномембранно-каталитических реакторов — устройств, совмещающих процессы химической переработки сырья и разделение продуктов реакции.

Как известно, объединение мембраны и катализатора в одном модуле открывает новые возможности повышения селективности использования сырья, а также понижения энергозатрат на стадии каталитического синтеза.

Градиентно-пористые керамические мембраны — «ансамбль наноразмерных каналов» плотностью до 1010 на 1 см2 мембраны. После нанесения катализаторов на стенки таких каналов мембрана превращается в совокупность наноразмерных реакторов.

При использовании таких реакторов в фильтрационном режиме резко снижается температура, при которой становится возможным осуществление реакции, а также изменяется селективность реакции. Такие установки позволят осуществлять окислительные превращения метана и его гомологов во взрывобезопасном и экологически благоприятном режиме.

Основные преимущества мембранно-каталитических мультиреакторных блоков:

  • минимальное число энергоемких стадий разделения;

  • повышение выхода целевого продукта за счет непрерывного отвода из зоны реакции одного или нескольких продуктов реакции;

  • возможность осуществления окислительных превращений легких углеводородов во взрывобезопасных условиях;

  • существенное понижение капитальных затрат на создание таких установок;

  • легкая взаимозаменяемость модулей и гибкие технологические схемы;

  • высокая селективность протекания процессов при умеренных температурах.

Новые гибкие технологии позволят:

  • поднять на новый уровень переработку углеводородного сырья (природный газ, нефть, попутный нефтяной газ);

  • впервые существенным образом обойти труднопреодолимые этапы масштабирования процессов;

  • существенно снизить расходы материалов и энергетические затраты.

Предложенная Ассоциацией «АСПЕКТ» и исследовательскими институтами РАН принципиально новая технология утилизации попутных нефтяных газов позволит, кроме решения серьезных экологических проблем, дополнительно удовлетворить растущий спрос на олефины (этилен, пропилен, бутилены) и ароматические углеводороды (бензол, толуол и др.) на рынке продуктов нефтехимии и попутно получать высокочистый водород, как топливо для водородной энергетики. В течение 2005–2007 годов планируется провести комплекс работ по апробации и масштабированию наномембранно-каталитических модулей, объединяющих в одной конструкции устройство превращения смеси насыщенных углеводородов в олефины или ароматические соединения и отделения этих продуктов от водорода.

Еще одно направление работ Ассоциации «АСПЕКТ» связано с созданием отечественного портативного топливного элемента. Особенность оригинальной конструкции элемента состоит в использовании металл-углерод-керамических пористых матриц в качестве носителей для создания всех элементов мембранно-электродных сборок. Например, твердоэлектролитная часть сборки представляет собой матрицу, заполненную новыми протонпроводящими полимерами. Следует подчеркнуть, что этот проект является единственным проектом из России по топливным элементам, выбранным в качестве международного проекта по программе IPHE (Международное партнерство по водородной экономике/ International Partnership for Hydrogen Economy). Ассоциация «АСПЕКТ» объединила ведущие научные центры России для участия в программе IPHE. Зарубежными партнерами в этом проекте являются такие известные центры, как Ливерморская национальная лаборатория (США), Институт Фраунхофера (Германия), Корпорация CMR (Англия) и другие. Программа включает разработку пластичной нанопористой керамики, разработку новой технологии для наноуглеродных слоев с нанокластерами катализаторов, расположенных в порах, теоретические и экспериментальные исследования размерных эффектов массопереноса и электропроводности в градиентных нанопористых структурах. В России проект реализуется по заказу Федерального Агентства по науке и инновациям.

Совокупность имеющейся обширной информации об уникальных свойствах нанопористых материалов и об их качественно новых практических приложениях позволяет выделить нанопористые материалы в отдельный класс наноматериалов.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. (росатом) концерн «росэнергоатом» оао «внииаэс»

    Интервью
    ... КОНЦЕРН «РОСЭНЕРГОАТОМ» ОАО «ВНИИАЭС» ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ»ЦЕНТР «АТОМ-ИННОВАЦИЯ»МАТЕРИАЛЫ ЯРМАРКИ ИННОВАЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ... «Московский завод «Физприбор» Буслаев А.А., ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ» АЭС является сложным технологическим объектом ...
  2. В числе приглашенных количество составляет порядка 500 человек

    Документ
    ... агентство по атомной энергии и Центр «Атом-инновация» (ФГУПЦНИИАТОМИНФОРМ) проводят ярмарку высокотехнологичной медицинской техники ... в СМИ. Предоставление возможности размещения рекламных материалов официального Партнера в портфелях и пакетах ...
  3. Приоритетный национальный проект «образование» поддержка вузов внедряющих инновационные образовательные программы отчет (5)

    Отчет
    ... учебных материалов, доступ к каталогизированным материалом, экспорт ... центр, Лазерный центр, Международный центр ... или подготовленные инновации в образовательной деятельности. Инновации в образовательной ... ДКС-АТ ... университет": ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ», ФГУ ...
  4. XII МЕЖДУНАРОДНЫЕ РОЖДЕСТВЕНСКИЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ЧТЕНИЯ

    Документ
    ... соборе г. Алма-Ата. «Опыт воспитания ... (по материалам обращений пострадавших в Центр Св. ... Место проведения: Большой зал ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ», Дмитровское шоссе 2. Проезд ... научный сотрудник Института педагогических инноваций РАО. «Представление о ...
  5. ОТЧЕТ по результатам самообследования (1)

    Отчет
    ... , Филиал ФГУП «ВГТРК» ... № 2, 2007 г., Росатом, ЦНИИатоминформ, 0,2 печ. л. 3. ... Тихий, мирный атом» 19.12. ... Роландовна. Традиции и инновации в культуре горного Дагестана ... дискуссионные) материалы, изданные российскими университетами или научными центрами 1. ...

Другие похожие документы..