Понятия “прочность” и “конструкционный материал” появились одновременно с “человеком разумным”, так как сила всегда соизмерялась с объектом ее приложения и не каждый камень годился для изготовления топора. Во все времена каждый ребенок знает, как быстрее вывести из строя ту или иную игрушку, приобретая таким образом с пеленок интуитивное представление о том, как обеспечить прочность созидаемых им объектов в дальнейшей жизни. Однако в начале XX столетия эмпирический метод в области обеспечения целостности конструкций вошел в противоречие с уникальностью новых образцов техники, безопасностью общества и его граждан, что послужило стимулом к становлению материаловедения и прочности в качестве самостоятельной области науки и знания. Н.А. Доллежаль, создавая 50 лет назад научно-исследовательский и конструкторский институт, прекрасно это понимал и придавал важное значение развитию в нем данного направления в комплексной постановке: новые материалы — обеспечение нужных для реакторостроения свойств и прежде всего коррозионной стойкости — прочность и долговечность.
За пять лет группа прочнистов, которую в 1952 г. возглавила О.А. Шатская и в которую входили, как это ни покажется на первый взгляд странным, будущие руководители конструкторских подразделений Б.П. Папковский, Г.А. Станиславский, Г.И. Гречко, а также другие сотрудники, стала одним из самых многочисленных отделов (он получил № 23) НИИ-8. В отделе было пять лабораторий прочности, возглавляемых соответственно А.А. Цветаевым, Б.В. Серебренниковым, Б.И. Тараториным, И.Г. Коровинским, М.И. Егоровым; лаборатория поглощающих материалов (Р.В. Гребенников); лаборатория материаловедения и коррозии (И.С. Лупаков). В декабре 1960 г. из отдела № 23 выделился отдел № 21 (материаловедения) в составе пяти лабораторий: материаловедения и термической обработки (руководитель И.С. Лупаков), металлургии и поглощающих материалов (Р.В. Гребенников), неметаллических материалов (В.С. Казаков), аналитической химии (Н.И. Родионова) и лаборатория коррозии (В.В. Герасимов). На базе последней в 1975 г. был организован отдел № 34 (коррозии) с двумя лабораториями — коррозии в энергетических и корабельных РУ (руководитель А.И. Громова), в промышленных и исследовательских РУ (В.А. Шувалов) и группой химии теплоносителей (О.Т. Коновалова). В 1971 г. в отделе О.А. Шатской на базе лаборатории термической усталости металлов были образованы две: циклической (В.М. Филатов) и конструкционной (Е.Ю. Ривкин) прочности.
За 50 лет произошло множество качественных и количественных изменений: более десятка крупных переездов, модернизация экспериментальных стендов, переход от логарифмических линеек и “ремингтонов” к ЭВМ, внедрение новых материалов, технологий, методик и нормативных документов, вычислительных программ, наконец, приобретение импортных испытательных машин и путь от полной закрытости до свободного международного общения специалистов. В коллективе выросли высококлассные специалисты, работающие на уровне, соответствующем требованиям разрабатываемых институтом и отраслью объектов, которые по многим параметрам опережали или вообще не имели аналогов в мире. Кроме уже перечисленных, хотелось бы отметить Б.С. Родченкова, В.Д. Сизарева, В.Я. Абрамова, В.Б. Посельского, В.А Шувалова, Б.И. Денисова, Н.М. и А.М. Васниных, Л.Н. Караханьян, Т.А. Глазкову, В.Н. Белоуса, В.Н. Васину, В.Н. Ершова, Н.Я. Николенко, В.П. Александрова, А.В. Женихову и многих других, а также вспомнить И.А. Степанова, Ю.С. Кузьмичева, В.С. Дмитриева, А.Н. Зейгарник, И.Г. Шутько, Ю.А. Анихимовского, И.Ф.Бычкова.
Исследуются механические характеристики конструкционных материалов
Все в мире развивается по спирали. Вот и в институте после образования и становления отдела № 23, а затем выделения из него отделов № 21 и № 34 пришло время к их слиянию в Инженерный центр прочности, надежности и ресурса оборудования атомной техники: с 1992 г. — это подразделение НИКИЭТ на самостоятельном балансе (директор С.Е. Бугаенко), а с конца 1996 г. — дочернее предприятие института (директор С.В. Европин). В настоящее время центр аккредитован в качестве научного учреждения и, являясь головной материаловедческой организацией Минатома РФ по вопросам прочности, материаловедения и коррозии объектов использования атомной энергии, получил официальное наименование — ГУП ИЦП МАЭ.
Но вернемся в 1950-е годы. Отсутствие площадей и экспериментального оборудования, с одной стороны, и грандиозность поставленных задач, с другой, диктовали необходимость привлечения к работам лучших специалистов СССР как в научной, так и производственных сферах. К разработкам были привлечены ИМАШ, МГУ, МИХМ, ЦНИИ-48 (ЦНИИМС-ЦНИИ КМ “Прометей”), ЦНИИ-45 (ЦНИИ им. А.Н.Крылова), ВИАМ, НИИ-9 (ВНИИНМ), Ижорский завод, завод “Баррикады” и другие. Так, 2-й Московский часовой завод изготавливал модели перфорированных крышек из оргстекла для тензометрических исследований, модели из оптически чувствительных материалов изготавливали в МИХМ, а исследовали в лабораториях ИМАШ и МГУ, для изготовления труб из циркониевого сплава был привлечен Кольчугинский завод (затем Чепецкий механический завод). Широкая кооперация в работах сохранялась все эти годы и во многом предопределила успешное решение практически всех проблем, которые возникали при конструировании и эксплуатации реакторных установок НИКИЭТ независимо от их назначения.
Однако в 1950-х годах все было новым: конструкции, материалы и технологии, режимы и нагрузки, физические и динамические воздействия. В то время не существовало в отрасли нормативных материалов по прочности, не было опробованных расчетных методик и экспериментальных методов исследований для использования в атомной технике. Вместе с ведущими специалистами-прочнистами страны С.В. Серенсеном, Н.И. Пригоровским, А.А. Волошиным и другими были развиты и адаптированы к новым конструкциям методики котло- и судостроения, экспериментальные методы исследования напряженного состояния на моделях и натурных образцах. Совместное их использование обеспечило возможность вписывать в проектную документацию ядерных установок заключение - “удовлетворяет требованиям прочности”.
Не менее важной проблемой являлось конструкционное материаловедение. ЦНИИ-48, Ижорским заводом и заводом “Баррикады” по заказу НИИ-8 и при участии отдела № 23 были созданы и промышленно освоены стали серии ТС, а затем изготовлены корпуса, днища и крышки первых реакторов с водой под давлением. За эту работу в 1963 г. коллективу разработчиков, в составе которого была О.А. Шатская, присуждена Ленинская премия.
Получение металлического циркония и подтверждение его работоспособности в реакторных условиях во многом определило успешное развитие канального направления реакторостроения в СССР. Если в общей проблеме освоения сплавов циркония ведущими являлись ВИАМ и НИИ-9
при участии НИКИЭТ, то задача создания переходника “сталь-цирконий” решалась нашим институтом самостоятельно. Сварка плавлением таких разнородных материалов, как хромоникелевая сталь и сплав циркония невозможна, и в результате интенсивных поисков с проведением разнообразных материаловедческих и прочностных исследований остановились на разработанной для переходников технологии диффузионной сварки. Была сконструирована и изготовлена печь-агрегат с индукционным нагревом и устройством, позволяющим осуществлять подсадку для устранения зазора, образующегося при нагреве из-за разницы коэффициентов термического расширения материалов, выполнен комплекс работ по изучению температурно-временных условий, структуры, фазового состава диффузионного слоя. По их результатам отработаны режимы сварки и термической обработки, которые в дальнейшем вошли в технические условия завода-изготовителя.
Для канальных реакторов был нужен максимально “прозрачный” для нейтронов конструкционный материал - цирконий, а для всех реакторов важны материалы с повышенным захватом нейтронов (поглощающие стержни СУЗ и компоненты биологической защиты). В лаборатории Р.В. Гребенникова были разработаны бористые стали и сплавы, которые нашли применение в стержнях регулирования реакторов AMБ-100, АМБ-200, Билибинской АЭС, в стержнях дополнительного поглотителя при пусках всех РБМК. Изготовленные из бористой стали СБЯ-2 направляющие втулки стержней регулирования реакторов ВВЭР-440 успешно работают до сих пор.
Следует отметить и последующие работы лаборатории Р.В. Гребенникова (в дальнейшем В. Б. Посельского) в области разработки эффективных поглощающих композиций: гафниевых сплавов, керамических диспрозиевых поглотителей РЗКТ-18/6 и 18/8, гадолиниевого ТНГ- и гадолиний- графитового РВГ-поглотителей. В последние годы все большее применение находят перспективные титанат-диспрозиевые поглотители, в отработке технологических процессов изготовления изделий из которых и обеспечении их длительной работоспособности принимает непосредственное участие лаборатория В.Б. Посельского.
Специально для биологической защиты была разработана и внедрена в промышленность борсодержащая коррозионно-стойкая аустенитная сталь 0Х18Н10Р (ЭП287). В дальнейшем в лаборатории И.С. Лупакова были разработаны и включены в перечень допущенных к применению мартенситостареющая сталь ЭП898, экономнолегированная ЭП53 и др.
Без преувеличения можно сказать, что разработки специалистов лаборатории (отдела) коррозии сыграли одну из определяющих ролей в решении проблемы химии водных теплоносителей ядерных реакторов, изучении, оценке и прогнозах общей и местных видов коррозии конструкционных материалов, разработке и внедрении методов их защиты от коррозионных повреждений, способов дезактивации и консервации радиационно-загрязненных оборудования и трубопроводов. Сотрудниками лаборатории были защищены одна докторская (В.В. Герасимов) и семь кандидатских диссертаций, получены Государственная премия СССР (В.А. Шувалов) и две премии Совета Министров СССР (В.В. Герасимов, А.И. Громова, В.Н. Белоус). Признание работ отдела № 34 послужило основанием для создания в НИКИЭТ Координационного научно-технического совета отрасли по вопросам коррозии и защиты реакторных материалов, который успешно функционирует и в настоящее время.
В конце 1960-х годов стала актуальной проблема создания комплекта нормативно-технических документов, регламентирующих методы расчетов на прочность, устройство и безопасность эксплуатации ядерных энергетических установок. Созданная Н.А. Доллежалем структура института как конструкторской и одновременно научной организации, ее достижения в разработке таких установок, наличие высококвалифицированных специалистов в различных областях атомной науки и техники предопределили назначение НИКИЭТ в качестве головной организации по разработке Норм и Правил для АЭС в сфере обеспечения прочности. Основная нагрузка в этой работе легла на отдел № 23 и в первую очередь на О.А. Шатскую, М.И. Егорова, Е.Ю. Ривкина, В.М. Филатова. Уже в 1973 г. вышли первые издания Правил устройства, Основных положений по сварке, Правил контроля сварных соединений и наплавки, Норм расчета на прочность. В подготовке документов и согласовательных процессах участвовало около 50 специалистов из более чем 20 организаций (институты, КБ, заводы, надзорные органы и др.).
Именно в ту пору оформились два основных направления деятельности прочнистов, материаловедов и коррозионистов НИКИЭТ: обеспечение целостности элементов проектируемых и находящихся в эксплуатации реакторных установок, с одной стороны, и совершенствование нормативных требований, с другой. Фактически этими направлениями занимаются одни и те же специалисты, что обеспечивает взаимную связь между нормативными требованиями и возможностями их реализации, исключая тем самым грубые промахи в обоих направлениях деятельности. Отметим также, что внедрение норм в практику работы было отмечено премией Совета Министров СССР, среди ее лауреатов — Е.Ю. Ривкин.
Нельзя не упомянуть и пионерную для мирового сообщества работу над созданием единого комплекта нормативной документации в области атомной техники для стран-членов СЭВ. Основной трудностью при разработке являлся учет национальных стандартов и интересов промышленности разных стран. Можно без преувеличения сказать, что эта проблема была успешно разрешена, так как около 70 % необходимых документов были согласованы и изданы. Однако логического завершения работа не получила по причинам, не зависящим от технической компетенции отечественных специалистов, зато бывшие страны СЭВ ввели разработанные документы в действие уже в качестве национальных. В последние 10 лет аналогичная работа проводится европейской КЕС, однако ни одного согласованного нормативного документа в данной области до сих пор не опубликовано.
По мере повышения требований к безопасности атомной техники все большее значение при разработке новых типов реакторных установок приобретало научное сотрудничество организаций отрасли с Академией наук, вузами, институтами и предприятиями смежных отраслей. Пик активного взаимодействия приходится на середину 1980-х годов, когда в подготовке вторых изданий вышеупомянутых нормативных документов принимали участие более 40 организаций и 70 специалистов. Особо хотелось бы отметить сотрудничество с Н.А. Махутовым (ИМАШ), Г.П. Карзовым, Б.В.Тимофеевым (ЦНИИ КМ “Прометей”), Д.Н. Барановым, Д.М. Шуром (ЦНИИТМАШ), Б.В. Зверковым и Д.Л. Костовецким (ЦКТИ им. И.И. Ползунова), А.Д. Амаевым (ИАЭ им. И.В. Курчатова), Б.А. Гохфельдом и О.Ф. Чернявским (ЧПИ), Ю.И. Лихачевым (ФЭИ), В.И. Труфяковым (ИЭС им. Е.О. Патона), АВ. Просвириным и П.П. Алексашиным (Госатомэнергонадзор СССР). К сожалению, в 1990-х годах эти творческие связи были нарушены, и сейчас приходится прикладывать большие усилия, чтобы их восстановить. С этой целью Центр прочности в последние годы организует специальные тематические семинары, конференции, школы-семинары и другие мероприятия.
В заключение несколько слов о наиболее актуальных задачах атомной энергетики начала XXI века, в решении которых Центр прочности принимает непосредственное участие. Это, во-первых, продление срока службы действующих объектов использования атомной энергии; проектирование и ввод в эксплуатацию новых объектов со сроком службы 50 и более лет; разработка перспективных проектов (ИТЭР, БРЕСТ, АТЭС, установок малой мощности); а во-вторых, обращение с отработавшим ядерным топливом и снятие с эксплуатации ядерных установок. Все перечисленные задачи, и прежде всего их первую часть, объединяет общая проблема — обеспечение безопасности при соблюдении экономической целесообразности эксплуатации — проблема, которая с той или иной степенью сложности решается при сравнительно небольших сроках существования объекта и не имеет общепринятого решения при сроках службы потенциально опасных объектов, соизмеримых с продолжительностью жизни человека. К сожалению или радости, это проблема именно XXI века, так как темпы развития, повышения требований к безопасности общества и его членов входят в противоречие с надежностью объектов хозяйствования, принятых в эксплуатацию по нормам предшествующих поколений общества. В этой связи роль длительного обеспечения целостности барьеров безопасности на пути возможного распространения радиоактивных веществ приобретает особую значимость. Традиционный подход, когда только удовлетворяются принятые коэффициенты запаса прочности, уже не может рассматриваться как гарантия возможности длительной эксплуатации объекта использования атомной энергии со сроком службы, в течение которого требуемые показатели безопасности могут возрасти на порядок и более. Необходимо введение дополнительных мероприятий, предусматривающих периодическое подтверждение или повышение безопасности объекта. Следовательно, нужна разработка нового подхода, нацеленного на обеспечение функциональной надежности. Этот подход должен базироваться на совместном анализе прочности компонентов объекта, результатов средств контроля их технического состояния, мониторинга эксплуатационных факторов и воздействий (включая внешние) в процессе длительной эксплуатации.
Надежность объекта в общем случае включает в себя его безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Все эти составляющие должны закладываться в проекты уже на стадии конструирования оборудования, трубопроводов и других составных частей ядерных установок. Для действующих объектов атомной техники целесообразна разработка технологий освидетельствования и ремонта их компонентов, ориентированных на обеспечение параметров надежности этих компонентов по критериям их влияния на безопасность объекта в целом, что может привести к необходимости существенного пересмотра объемов и периодичности эксплуатационного обслуживания.
НИКИЭТ совместно с дочерними предприятиями как единый научно-инженерный комплекс готов решать поставленные задачи на современном техническом уровне по указанным выше направлениям как при проектировании новых ядерных установок, так и при эксплуатации действующих.
С.В. Европин, И. С. Лупаков
