Материалы XIV Всероссийской конференции

ПЛЕНАРНЫЕ ДОКЛАДЫ

Санкт-Петербург

Издательство Политехнического университета

2010

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Российская академия наук

Отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН

Санкт-Петербургский научный Центр РАН Комиссия по образованию Санкт-Петербургского научного Центра РАН Научный Совет по науковедению и организации научных исследований ( при Санкт Петербургском научном Центре РАН) Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Учебно-методическое объединение вузов по университетескому политехническому образованию Министерства образования и науки Российской Федерации Санкт-Петербургское отделение Международной академии наук высшей школы Научные советы по проблемам технических наук и высшего образования МАНВШ Руководящий Совет Межвузовских комплексных работ «Инновационные технологии образования»

Аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы»

Ассоциация независимой экспертизы Северо-Западное отделение высшей школы Санкт-Петербурга Ассоциации технических университетов Материалы XIV Всероссийской конференции Пленарные доклады Санкт-Петербург Издательство Политехнического университета Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах: Материалы XIV Всероссийской конференции. СанктПетербург. Пленарные доклады. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. 117 с.

Представлены результаты научных исследований, выполненных в национальных исследовательских университетах Российской Федерации по планам работ РАН, Руководящего Совета Межвузовской комплексной работы "Инновационные технологии образования", Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы», других федеральных научно-исследовательских программ, а также по заказам промышленности.

Для преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов высших учебных заведений.

Сборник издается без редакторских правок.

Ответственность за содержание тезисов возлагается на авторов.

Оригинал-макет подготовлен НМЦ УМО © Санкт-Петербургский государственный политехнический университет,

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

И ИННОВАЦИИ В НАЦИОНАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ УНИВЕРСИТЕТАХ

Материалы XIV Всероссийской конференции

ПЛЕНАРНЫЕ ДОКЛАДЫ

Ответственный за выпуск П.И. Романов Лицензия ЛР № 020593 от 07.08. Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции ОК 005-93, т. 2; 95 3004 – научная и производственная литература Подписано в печать Формат 60х84/ Усл. печ. л. Уч.-изд. Л Тираж Заказ Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного НМЦ УМО, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета.

195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29.

Тел.: (812) 550-40-14.

Тел./факс: (812) 297-57-76.

ОРГАНИЗАЦИОННЫЙ КОМИТЕТ

М.П. Федоров – ректор СПбГПУ, член-корреспондент РАН (председатель) Ю.С. Васильев – президент СПбГПУ, академик РАН (сопредседатель) А.И. Рудской – проректор по научной и инновационной деязам. председателя) тельности СПбГПУ, член-корреспондент РАН В.Н. Козлов – проректор по УМО СПбГПУ (зам. председателя) П.И. Романов – директор НМЦ УМО СПбГПУ (зам. председателя)

ЧЛЕНЫ ОРГАНИЗАЦИОННОГО КОМИТЕТА

М.М. Благовещенская – зам. председателя Руководящего Совета Межвузовских комплексных работ «Инновационные М.Б. Гузаиров – ректор Уфимского государственного авиационного технического университета А.В. Белоцерковский – ректор Тверского государственного университета Ю.В. Шленов – президент Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства С.М. Стажков – первый проректор – проректор по учебной работе Балтийского государственного технического В.К. Иванов – декан физико-механического факультета М.М. Радкевич – декан механико-машиностроительного факультета СПбГПУ В.И. Никифоров – ученый секретарь УМО Н.Ю. Егорова – заместитель директора НМЦ УМО СПбГПУ

ПЛЕНАРНЫЕ ДОКЛАДЫ

РАЗВИТИЕ СИСТЕМЫ ПОДГОТОВКИ И ЗАКРЕПЛЕНИЯ КАДРОВ

ДЛЯ НАУКОЕМКИХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И

НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СФЕРЫ

Проректор по научной и инновационной деятельности, Директор научно-исследовательского комплекса, Начальник отдела научно-исследовательской работы студентов, Повышение качества подготовки специалистов для работы в сфере науки и в наукоемких отраслях промышленности становится первостепенным в настоящее время, когда перед Россией стоит задача перехода на инновационный путь развития. Проблемы практического использования научных знаний, повышения эффективности научных исследований и разработок выдвигают сегодня инженерную деятельность на передний край всей экономики и современной культуры. Решающим конкурентным фактором становится исследовательско-инновационная составляющая труда инженера. В процессе подготовки и воспитания профессионалов на первый план выступают задачи формирования нового стиля инженернонаучного мышления, развития навыков творческого подхода к инженерным задачам. Эффективным механизмом для реализации требований, предъявляемых к современному инженеру, является переход от учебнообразовательного к научно-образовательному процессу: интеграции образовательной, научно-исследовательской и проектно-конструкторской деятельности.

Основы системы научного образования инженеров в СПбГПУ были заложены уже при создании Императорского Петербургского Политехнического института. По замыслу его основателей, высшее образование в техническом университете должно быть ориентировано на подготовку инженеров-исследователей — разработчиков новых объектов предметной области, т.е. новых технологий, — в совершенстве владеющих методами научного обоснования всех этапов инженерной деятельности. Воспитание таких инженеров в СПбПИ было реализовано на принципиально новой основе: сочетания классического университетского и технического образования. Эти базовые положения и формирование системы научноисследовательской работы студентов как неотъемлемой составляющей учебного процесса, реальная научно-инженерная работа студентов в лабораториях вуза, прикладных и академических НИИ, развитие аспирантуры и докторантуры образуют то, что мы называем сегодня Политехнической системой подготовки кадров. Эта система доказала свою эффективность, обеспечив высокое качество специалистов-политехников — научных работников, инженеров-исследователей и конструкторов новой техники.

Предлагаемый доклад суммирует результаты работы ряда структур СПбГПУ по активизации, стимулированию и поддержке научноинновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых в рамках Политехнической системы, развитию состязательности, формированию комплекса мер по подготовке специалистов для сферы науки и наукоемких отраслей промышленности, созданию кадрового резерва и закреплению талантливой молодежи в университете.

В сегодняшней ситуации система и инфраструктура высшей школы считается наиболее перспективной для построения на ее базе моста между наукой и производством, российской инновационной сети. Именно в университетах ведущими научными школами генерируются и в ходе образовательного процесса передаются новые знания. Многими специалистами отмечается, однако, что при наличии огромного отряда тех, кто генерирует знания, у нас отсутствует система, которая позволяет осуществить трансферт этих знаний в экономику. Прикладные разработки часто не ориентированы на коммерческую реализацию, а исследователи далеки от нужд рынка и не склонны мыслить как предприниматели.

При этом реальная ситуация с привлечением молодежи к инновационной деятельности оставляет желать лучшего. У молодежи нет понимания, что представляют собой инновации, каковы выгоды от их внедрения, как связаны личный успех и инновационная активность, а также желания выстраивать вокруг этой деятельности свою жизненную стратегию.

Более того, специалисты указывают на снижение привлекательности карьеры исследователя для молодых людей — выпускников вузов, причем не только по причинам материального характера, но и из-за падения престижа профессии ученого и преподавателя. Уменьшается интерес к получению научных знаний, творческому развитию.

Для компенсации этих негативных тенденций на государственном уровне перед системой высшего образования в качестве приоритетной ставится задача выработать способы и механизмы формирования инновационного менталитета молодежи, привлечения молодежи (прежде всего, студенческой) к работе в научно-технической инновационной сфере.

Направления решения этой задачи — пропаганда привлекательности научной и инновационной деятельности, поддержка и популяризация инициатив и особенно достижений молодежи в сфере технологий и научнопромышленных разработок, помощь в планировании и развитии карьеры на рынке труда.

Необходимо совершенствование системы стимулирования творческой активности и привлечения студентов к работе в научных, проектноконструкторских и других творческих группах, организация масштабных молодежных научных мероприятий с участием представителей всех составляющих инновационной системы региона.

В СПбГПУ эти направления за последние годы получили значительное развитие: политехническая система подготовки кадров для высокотехнологичных отраслей промышленности и для научно-образовательной сферы была существенно дополнена. Инициирован ряд решений по организации, сопровождению и поддержке деятельности студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов. Среди комплекса мер, направленных на повышение качества подготовки специалистов для наукоемких отраслей промышленности необходимо отметить следующие.

1. Информирование научной молодежи об интеграционных процессах и инновационной системе региона. С этой целью введена практика приглашения представителей науки, промышленности, власти и бизнеса к участию в масштабных молодежных научных мероприятиях, организуемых СПбГПУ: в традиционной конференции «Неделя науки СПбГПУ», Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах». В 2009 г. XXXVIII-я международная научно-практическая конференция «Неделя науки СПбГПУ»

прошла совместно со II-м международным политехническим форумом «Инновации: наука, образование, бизнес» где состоялся конструктивный диалог между представителями образования, науки и бизнеса. Можно определенно ожидать, что разъяснение сути инновационной деятельности, информирование о взаимодействии представителей всех составляющих инновационной системы Санкт-Петербурга позволит в значительной мере усилить воздействие инновационной среды региона на студентов, аспирантов и молодых ученых, повысить их мотивацию, поднять престиж труда научного работника и сотрудника наукоемкого предприятия. Масштаб XXXVIII-й международной научно-практической конференции «Неделя науки СПбГПУ» характеризуют следующие данные. На 147 секционных заседаниях было заслушано 2011 докладов, представленных студентами, аспирантами и молодыми специалистами СПбГПУ, многих вузов СанктПетербурга и ряда других городов России, зарубежных вузов. Среди авторов докладов 1929 студентов, в том числе 80 — из других вузов и 258 аспирантов и соискателей. Общее число участников заседаний, включая студентов, аспирантов и преподавателей, составило 5113 человек.

2. Стимулирование творческой активности и результативности студентов, аспирантов, выявление кадрового резерва. С этой целью проводятся ежегодные конкурсы научной молодежи СПбГПУ. В этом ряду:

- конкурс инновационных научно-технических работ (проектов) СПбГПУ по номинациям: «Научные результаты фундаментальных и прикладных поисковых исследований» и «Научные результаты, обладающие конкретными перспективами внедрения». Для участия в этом конкурсе выдвигаются авторы на основе оценки устных докладов на секционных заседаниях и анализа текстов, содержащих изложение результатов работы.

Победителей конкурса (по 10 в каждой из номинаций) определяет экспертная комиссия университета.

- конкурсы «Студент года по достижениям в научноисследовательской работе», «Аспирант года» и конкурс молодых ученых университета «Молодые таланты — будущее науки политехнического университета» для следующих категорий участников: студенты; аспиранты; соискатели и молодые кандидаты наук в возрасте до 35 лет; молодые доктора наук в возрасте до 40 лет. При выявлении лауреатов учитывается активность соискателя в научной работе: публикации в журналах ВАК, выступления на конференциях (международных, российских, региональных), выигрыш грантов, стипендий российских и международных.

3. Меры по формированию у молодежи навыков подготовки научнотехнических текстов, расширению объема публикаций результатов исследований студентов, аспирантов и молодых ученых. В качестве примера: по результатам работы XXXVIII-й международной научнопрактической конференции «Неделя науки СПбГПУ» изданы: сборники материалов докладов по факультетам (21 том); сборник материалов факультетов по научным направлениям (1863 работы, в 5-и томах, 201,2 п/л);

сборник материалов лучших секционных докладов (119 работ, 18 п/л). К началу конференции «Неделя науки СПбГПУ» выпущен специальный номер газеты «Политехник», посвященный итогам научноисследовательской и инновационной деятельности студентов и аспирантов университета.

Работы победителей Всероссийского конкурса на лучшую студенческую научную работу и инновационного конкурса СПбГПУ (п. 2) публикуются в журнале Санкт-Петербургского государственного политехнического университета "Научно-технические ведомости СПбГПУ", который издается с 1995 года и с 2002 года входит в Перечень ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий. В настоящее время издается четыре серии журнала: «Наука и образование», «Физико-математические науки», «Информатика, Телекоммуникации. Управление», «Экономические науки», в которые принимаются статьи для опубликования основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук и кандидата наук в соответствии с требованиями ВАК по семи научным направлениям: Энергетика; Металлургия; Машиностроение; Физика; Экономика; Информатика, Вычислительная техника и Управление; Радиотехника и связь, Электроника, Измерительная техника. Увеличивается число публикаций в журнале. В 2007 году опубликовали свои статьи более 1200 авторов, в 2008 — более 1500, в 2009 — более 2000 чел. Среди авторов ведущие ученые РФ, ближнего и дальнего зарубежья.

4. Повышение эффективности обучения аспирантов и докторантов, помощь диссертантам. С этой целью организована система ежегодных обучающих семинаров, проведения круглых столов. Аспирантам первого года обучения вручается комплект материалов с необходимой информацией. Разработан проект Положения об аттестации аспирантов и докторантов, которое повышает ответственность как аспиранта, так и руководителя за результаты обучения. Кроме того, разработана система повышения мотивации обучения аспирантов и докторантов, а также их руководителей (в том числе материалы для участия в конкурсе «Аспирант года» (п. 2). В результате указанного комплекса мер эффективность защит аспирантов за последние 3 года постоянно увеличивалась и составляет 32, 4 % (требование — 25 %), так же, как и для докторантов, эффективность защит которых достигла 58 %.

5. Поддержка и сопровождение материалов, представляемых студентами, аспирантами и молодыми учеными университета на внешние конкурсы. Отдел научно-технической информации СПбГПУ проводит большую работу по предоставлению адресной информации, помощи соискателям в подготовке и оформлении заявок. В результате увеличилось количество победителей в конкурсах на соискание грантов Правительства СПб, контрактов по проектам в рамках ФЦП. Объем средств, полученных СПбГПУ, возрос за последние 3 года на 140 %, в том числе по проектам с участием молодых ученых на 230 %.

Об эффективности мер по развитию политехнической системы подготовки кадров свидетельствуют успехи научной молодежи СПбГПУ по многим направлениям.

Ежегодные достижения политехников в конкурсах научных работ и олимпиадах Всероссийского и международного уровня, конкурсах на соискание грантов Правительства Санкт-Петербурга, отраслевых конкурсах.

В частности, за последние годы студенты СПбГПУ добились значительных успехов в наиболее престижном конкурсе на соискание медалей РАН с премиями для молодых ученых и студентов вузов России за лучшие дипломные и научные работы. Медалями награждены 11 студентов СПбГПУ, причём СПбГПУ — единственный вуз С.-Петербурга, студенты которого награждены медалями конкурса РАН в 2005–2009 гг.

По итогам конкурсов РАО «ЕЭС России» и РАН на соискание премии «Новая генерация» за лучшие научные работы в области энергетики и смежных наук для молодых ученых и студентов вузов России в 2005– гг. награды получили 18 студентов и 8 молодых исследователей СПбГПУ.

В ежегодном Всероссийском открытом конкурсе на лучшую научную работу студентов вузов по естественным, техническим и гуманитарным наукам за последние 5 лет студенты СПбГПУ получили 95 медалей и 196 дипломов. В неофициальном зачете по итогам конкурсов (числу научных разделов, где награждены работы вуза (рейтинг участия) и количеству медалей, полученных студентами) СПбГПУ (в 2009 г. в пятнадцатый раз) — абсолютный лидер среди вузов России.

По итогам нового Всероссийского конкурса научноисследовательских работ студентов вузов в области нанотехнологий и наноматериалов (2009 г.), который проводится в рамках ФЦП "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2010 годы" студентам-политехникам присуждены 7 медалей и 1 диплом.

В конкурсах грантов Правительства Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов, молодых ученых и молодых кандидатов наук за период 2007–2009 гг. гранты выиграл 201 студент СПбГПУ. В этом конкурсе студенты и аспиранты университета второй год подряд занимают первое место среди вузов города как по количеству поданных заявок, так и по числу поддержанных научных проектов.

Участие студентов, аспирантов в работах по различным аспектам молодежной научной деятельности, поддержанных контрактами Федерального агентства по образованию, Федерального агентства по науке и инновациям, Комитета по науке и высшей школе Правительства СанктПетербурга и других организаций по:

- научно-методическому обеспечению различных аспектов научноисследовательской работы студентов;

- организации и проведению молодежных конгрессных мероприятий;

- оказанию услуг по организации и сопровождению конкурсов.

Организация и проведение молодежных конгрессных мероприятий:

- Политехнического симпозиума «Молодые ученые — промышленности Санкт-Петербурга»;

- Всероссийских форумов студентов, аспирантов и молодых ученых 2007, 2008 гг. с ФАНИ в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2012 годы» и конференции-выставки инновационных разработок молодых ученых (2008 г.);

- XIV Санкт-Петербургской Ассамблеи молодых ученых и специалистов;

«ЭКОБАЛТИКА».

Оказание организационных услуг:

- по поддержке юридических и физических лиц, осуществляющих научную и научно-техническую деятельность на территории СанктПетербурга;

- по сопровождению конкурсов на соискание грантов молодых научно-педагогических работников вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга;

- по сопровождению конкурса для предоставления субсидий по поддержке: конгрессной деятельности, научных, научно-популярных, научнообразовательных периодических изданий, научных обществ.

Участие научной молодежи СПбГПУ в НИР и проектах, выполняемых по заказам предприятий и организаций Санкт-Петербурга, СЗФО.

Политехническая система подготовки научных кадров в полной мере отвечает интересам многих высокотехнологичных предприятий СанктПетербурга и Северо-Западного Федерального округа. Её эффективность ощутимо проявляется в том вкладе, который молодые специалисты — выпускники СПбГПУ, многие из которых работают на предприятиях и в организациях Санкт-Петербурга, вносят в сохранение научно-технического уровня и повышение конкурентоспособности экономики города и СЗФО.

Они традиционно демонстрируют профессионализм, высокий уровень теоретической научной подготовки и политехнический характер знаний, который сочетается с нацеленностью на решение практических задач бизнес-сообщества и города в целом.

В частности, существенно увеличился вклад научной молодежи СПбГПУ в выполнение инновационных и промышленно-технологических программ и проектов выполняемых по заказам предприятий и организаций Санкт-Петербурга и СЗФО. Только за последние три года сотрудниками университета, в том числе и молодыми учеными, выполнено более 1000 научно-исследовательских работ, заключено более 100 новых договоров на разработку наукоемкой продукции и оказание научнотехнических услуг российским и зарубежным промышленным предприятиям самых разнообразных отраслей.

Приоритеты, последовательность действий и высокие итоговые результаты развития политехнической системы позволяют убедиться в том, что она имеет большое практическое значение в деятельности по повышению эффективности подготовки кадров для высокотехнологичных отраслей промышленности и научно образовательной сферы.

АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И

НАНОТЕХНОЛОГИИ

Председатель Санкт-Петербургского отделения Основой ядерной бомбы является плутоний или высоко обогащенный уран-235. Если технология обогащения урана-235 является сложной и дорогой, то получение плутония не сопряжено с изотопным разделением и его можно извлечь из того материала, где он содержится, практически в любой радихимической лаборатории мира. Был бы только под рукой нужный материал. Современная атомная энергетика создает его в великом количестве. Причем, если запасы военного плутония (это в основном плутоний-239) росли в год приблизительно на 1 тонну и ограничивались его производством в основном в двух странах (США и СССР), то общее количество производимого сейчас в энергетических реакторах плутония составляет около 80 тонн в год, а извлекаемого из ОЯТ на комбинатах гражданского плутония увеличиваются сейчас на 10 тонн в год. Этот продукт является безусловно менее эффективным для создания атомной бомбы, но вполне для этого пригодным. Если для небольшой атомной бомбы, мощностью равной той, которая была взорвана над Нагасаки достаточно 5 кг военного плутония, то гражданского надо будет около 7 кг. Американцы ещё в 60-х годах взорвали такую бомбу из «плохого» плутония. Несколько взрывов из такого плутония в сравнительно недавнее время было произведено и в других не очень развитых странах. Имея плутоний как запал можно нарастить его до термоядерного устройсва с взрывными мощностями на порядки большими. Ещё раз отметим, что особых ухищрений для извлечения плутония из облученного ядерного топлива не существует.

Высоких технологий по изотопному разделению не требуется. Сколько бомб при желании можно сделать из 10 тонн извлекаемого за год гражданского плутония нетрудно подсчитать. Часть плутония уже извлечена и хранится в странах, где есть предприятия по переработке ОЯТ. В табл. приводится информация, взятая с сайта1 Арджуна Махиджани, директора IEER (Institut for Energy and Environmental Reserch), США.

Оценки запасов выделенного гражданского плутония Великобритамарта 2000 г.

ния Примечание: Сюда входит плутоний в форме необлученного МОХтоплива.

Как видно из табл., еще в 2000 г произведенного на комбинатах гражданского плутония накопилось 210 тонн, что уже превысило количество полученного за всю историю военногшо плутония. Общее же количество находящегося в ОЯТ энергетического плутония сейчас составляет около 2000 тонн. В итоге, несмотря на непрерывные и настойчивые призывы сокращения запасов военного плутония и проводимые в США и России работы по сокращению его запасов, наработка его в гражданских реакторах и переработка на комбинатах только возрастают. Из приведенного в табл. 1 уже извлеченного «мирного» плутония можно изготовить 30 тысяч атомных бомб.

Таким образом, мы имеем непреложный факт распространения по миру основной составляющей атомного оружия, его взврывчатки – плутония, хотя он именуется гражданским. В последние годы эта тревожная ситуация весьма усугубляется. Обусловлено это тем, что при быстро сокращающихся запасах углеводородов, атомная энергетика опять рассматривается, как единственный более чистый, чем уголь, крупномасштабный источник энергии. Кроме решения проблемы энергетической безопасности, весьма существенным аргументом в пользу ускоренных темпов развития атомной энергетики является также возможность сильно сократить выбросы парниковых газов и других вредных отходов, которых особенно много при добыче и сжигании угля. Изменение отношения к атомной энергетике происходит во многих странах, в том числе и в России. Предполагается её весьма интенсивное развитие со строительством нескольких тысяч гигаватных атомных станций до конца столетия и более сотни в России.

В 2008 г работал семинар, организованный Международным научнотехническим центром, по теме: ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ТОПЛИВНЫЙ ЦИКЛ ХХI ВЕКА. Семинар происходил 24-27 сентября в Нижнем Новгороде. На нём присутствовали ведущие физики атомщики России, Японии и Европейского Союза. Перспективой развития атомной энергетики, по мнению почти всех участников семинара, является строительства до 2030 г реакторов на тепловых нейтронах типа ВВЭР, с подключением к ним затем быстрых реакторов, типа БН-800. На основе анализа растущих потребностей человечества в энергии, особенно в развивающихся странах, обосновывалась необходимость перехода к атомной энергетике, как единственной альтернативе исчезающим запасам углеводородов. По оценкам МАГАТЭ в течение нескольких следующих десятилетий потребуется построить примерно 2000 АЭС (мощностью в 1000 мегаватт каждая). Это увеличение общей мощности АЭС в пять раз.

По мнению докладчика к концу столетия требуется в мире АЭС общей установленной мощности не менее 3000-4000 ГВт, а для России 300 ГВт.

Причем, общая доля реакторов на быстрых нейтронах должна составлять 50%. Коэффициент воспроизводства для производства плутония в этих реакторах желательно иметь равным 1,6, что обеспечит эффективное саморазвитие. Переработку облученного ядерного топлива с извлечением плутония и минорных актинидов следует осуществлять в установках, которые будут размещаться при каждом быстром реакторе. Нераспространение плутония и исключение его хищения по мнению докладчика может быть обеспечено, как специальными соглашениями и разработанными особыми технологиями, которые должны исключить хищение плутония. Докладчик определил путь к энергетической безопасности, основанный на уранплутониевом цикле и быстрых реакторах с фабриками переработки на них многих тонн плутония. Действительно, предлагаемый путь приводит к энергетической безопасности. С этим мы согласны. И этот путь был бы замечателен, если бы обеспечивал другие безопасности.

Давайте расставим приоритеты. Если говорить о безопасности, то что важнее всего? С нами могут не согласиться некоторые ученые и политики, но мы считаем, как и большинство людей вместе с нами, что обеспечение безопасности жизни, здоровья и сохранение окружающей природы является главным. Обеспеченность энергией на всё более высоком уровне, или как это не совсем правильно называют, энергетическая безопасность, не должна подавлять главного, т.е. не быть угрозой самой жизни.

К сожалению, сейчас очень высокая и однобокая озабоченность энергетической безопасностью у атомщиков отодвигает куда-то в сторону заботу о безопасности жизни на Земле. Обусловлено это, в первую очередь, все более растущим и во многом избыточным уровнем потребления, насаждаемым рыночной экономикой прибыли, ибо поддержать этот растущий уровень невозможно без увеличения потребления также и энергии.

В связке с желанием как можно больше продать, обеспечивая рост прибыли, и продать сейчас и поскорее, рост энергопотребления просто необходим, При этом игнорируется всё остальное: и ограниченность источников энергии, и их безвозвратная потеря, и опасность экологической катастрофы, и будущее потомков, оставляемых без ценных сырьевых продуктов и заваленных отходами.

Игнорируется и та чрезвычайная опасность, о которой мы говорим на этом юбилейном заседании Пагуошского комитета, опасность обусловленная распространением по миру основной составляющей атомной взрывчатки – плутония, и эта опасность усугубляется не только увеличением количества атомных станций, но и тем, что практически весь плутоний оказывается по предлагаемому сценарию ускоренного развития вовлеченным в непрерывную многократную переработку. От его непрерывной переработки никуда не деться, ибо основу атомной энергетики с года, составят быстрые реакторы, работающие на плутонии, непрерывно извлекаемом из ОЯТ этих реакторов для обеспечения топливом самих реакторов и части реакторов, работающих на тепловых нейтронах. Ещё раз отметим, что никакие самые строгие предписания, регламентирующие при переработке ОЯТ использовать только те специально созданные технологии, которые исключают наработку отдельно плутония, не смогут воспрепятствовать злоумышленникам извлечь нужный для бомбы плутоний по старой схеме Пурекс-процесса, привлекая нужных специалистов.

При широком распространением по миру быстрых реакторов возникает ещё одна серьёзная угроза. У новых их владельцев может появиться искушение попробовать нарушить соглашение Ельцина-Клинтона, запрещающее создавать зону воспроизводства 239-плутония в быстром реакторе, используя для этого обедненный уран, опять же с привлечением специалистов. Если уж размещать где-то быстрые реакторы, то только в тех странах, которые имеют уже ядерное оружие, иначе происходит распространение не просто гражданского плутония, а создается реальная возможность производить оружейный плутоний, каким-то образом обойдя запреты.

Мы говорили об этом на предыдущих Пагуошских совещаниях. Более подробно остановимся на этом ещё раз, и давайте, по-настоящему, определим всю опасность ситуации, в которой оказывается человечество и, в первую очередь его цивилизованная часть, развивая энергетику, основанную на уран-плутониевом цикле, и мало того, помогая странам, у которых не было атомной энергетики, её развить, нарабатывая на своих реакторах плутоний. Особая опасность нами отмечается именно для цивилизованной части, ибо для Сиама и Никарагуа вероятность ядерных террактов с использованием плутония, по всей вероятности, будет значительно ниже.

Освободиться от угрозы распространения по миру основной составляющей атомного оружия – плутония можно только в варианте развития атомной энергетики по сценарию в котором отсутствует плутоний. Это означает переход от уран-плутониевой к торийурановой энергетике4-6, где делящийся материал, уран нарабатываетTh (n, )233Th 233 идет синтез небольших количеств урана-232. Этот изотоп вместе со своими дочерними продуктами в уран-ториевом реакторе, характеризуется интенсивным жестким гамма-излучением, что полностью исключает возможность проводить какие либо операции с ураном-233 в легких лабораторных боксах, подобно тому, как оперируют с ураном-235 и плутониемЭто гарантирует невозможность использования урана-233, нарабатываемого в реакторе, для приготовления ядерных зарядов (даже при участии в работах операторов-самоубийц) без предварительного отделения изотопа урана-232, что практически невозможно осуществить. Таким образом, как исходный материал – торий-232, так и синтезированный материал – смесь урана-233 и урана-232 не смогут стать реальными компонентами ядерного оружия террористов. Запасы тория в десятки раз превышают запасы урана.

1. К эффективной атомной энергетике без катастроф и с сокращенным объемом ядерных отходов Всё у нас с атомной энергетикой хорошо, вот только что делать, если будет угроза терроризма! У нас нет ничего в защиту от него.

Академик А.П. Александров Помимо проблемы нераспространения ядерного оружия Пагуошское движение инициирует проекты безопасности ядерной энергетики, а также защиты окружающей среды от загрязнения радиоактивными отходами. К рассмотрению этих вопросов мы сейчас переходим.

11 сентября 2001 года в США один из четырех захваченных террористами самолетов немного не долетел до атомной станции в Пенсильвании. Падение тяжелого самолёта на АЭС привело бы ко второму Чернобылю с 30-км зоной непроживания. К такому же печальному итогу могут привести другие катастрофические ситуации, причиной которой могут быть сильные землетрясения или совершенно непредвиденные факторы с разрушением корпуса реактора и расплавом активной зоны. Это могут быть очень грубые ошибки обслуживающего персонала, хорошо организованная диверсия, или управляемый снаряд с кумулятивным зарядом. Любая установка может сломаться или быть сломанной. Но ситуация, которая может после этого сложиться может быть различной. При разрушении корпуса и расплаве активной зоны неминуемо произойдёт выброс огромного количества радиоактивных продуктов, накопленных в твердотельных топливных элементах (ТВЭЛах) за время работы реактора* (см. примечание).

Ситуация, в которой оказалась атомная энергетика, обусловлена историей её развития. Атомная энергетика возникла и развилась в считанные годы только благодаря заделу, который существовал в России и США при создании реакторов для атомных подводных лодок (АПЛ). Многие разработки оттуда перешли в мирную энергетику атома. Использование такого топлива, которое по энергоёмкости в миллион раз превосходит углеводородное, обеспечивало несомненное преимущество АПЛ перед дизельными. Для атомных лодок были созданы обладающие высокой плотностью энергии в активной зоне реакторы, в которых тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) и сборки из них (ТВС) были полностью герметизированы. Но весьма высокая плотность энергии и герметизация топлива, совершенно оправданные для АПЛ, создают условия повышенной опасности для созданных на их основе легководных реакторов (ЛВР), составляющих основу большой атомной энергетики, и в ещё большей степени для реакторов на быстрых нейтронах, поскольку энергетическая напряженость для них в активной зоне реактора значительно выше. Из-за очень высокой температурной напряженности в тепловыделяющем элементе (разница температур внутри и на охлаждаемой поверхности около 2000 градусов) десяти секунд перерыва в подаче охлаждающей воды (или натрия) к топливному стержню приводит к локальному перегреву и неотвратимому каскадному повреждению активной зоны реактора. Большую опасность вызывает необходимый для компенсации выгорания топлива в ТВЭЛах избыточный запас реактивности, который может привести в экстремальных ситуациях к неконтролируемой цепной ядерной реакции. Но и без образования локальной критической массы крупная авария, инициированная терактом или непредвиденным событием может привести к катастрофическому выбросу накопленных в ТВЭЛах радиоактивных продуктов при их расплаве и повреждении корпуса реактора.

При вскрытии активной зоны из расплавленного топлива не полетят радиоактивные продукты, если из него уже выведены летучие и газообразные продукты в ходе эксплуатации, и это можно сделать, если перейти на уран-ториевые реакторы без твердотельных топливных элементов, в которых топливо находится в виде расплава соли или в виде суспензии.

Психологически трудно признать, что исключение герметичных оболочек для распределенного по таблеткам ядерного топливаи и использование топлива в жидком состоянии, исключает возможность глобального загрязнения внешней среды, т.е. повторения Чернобыльской катастрофы. Ведь столько времени и сил было потрачено для создания ТВЭЛов и тепловыделяющих сборок из них. Мы отмечаем важную роль, которую они сыграли при создании достаточно безопасных и имеющих возможность работать несколько лет подряд без перезарядки на высокообогащенном уране-235 реакторов для АПЛ. Полезно отметить, что в реакторах на высокообогащенном уране-235 наработка плутония и долгоживущих актинидов значительно меньше, чем в энергетических реакторах. Но топливо оказывается тогда слишком дорогим и в нем всё равно копятся продукты деления, а запас реактивности являектся высоким.

Безтвельный же реактор имеет низкий запас реактивности (обусловленный эффективной наработкой урана-233 из тория даже в реакторах на тепловых нейтронах, а также очисткой топлива от части осколочных элементов-поглотителей нейтронов в ходе эксплуатации) и высокий отрицательный температурный коэффициент реактивности, что обеспечивает ядерную безопасность6.

Так как из жидкого топлива такого реактора выводятся и аккумулируются во время работы летучие и газообразные продукты, то в любых ситуациях (даже при попадании в него бомбы) исключен выброс за пределы реакторного пространства больших количеств радиоактивных продуктов.

Это обстоятельство особенно важно в эпоху развитого терроризма.

Поскольку для жидкосолевых реакторов не происходит глобального загрязнения окружающей среды даже в случае таких катастрофических ситуаций, как землятресение, падение самолёта или подготовленная диверсия, то это ставит их в особое положение и, главное, вселяет надежду в возможность создания безопасной от катастроф атомной энергетики. Ведь именно возможность катастрофы для существующих реакторов, обусловленная непредвиденными обстоятельствами, для учета которых бессмысленны вероятностные оценки, сдерживает после Чернобыля и незавершённого полёта 11 сентября 2001 года высокие темпы развития атомной энергетики.

Перейдем к проблеме ядерных отходов в существующей атомной энергетике.

Поскольку незагрязнение земли и сокращение количества отходов является одной из важнейших проблем безопасного проживания на Земле, то эта проблема является наряду с нераспространением ядерного оружия также одной из наиболее важных в Пагуошском движении.

При работе реактора в результате деления ядер увеличивается объём топлива и накапливаются газообразные и летучие продукты, что приводит к разбуханию ТВЭЛов. Помимо этого оболочки ТВЭЛов подвержены коррозии и высоким радиационным нагрузкам. Всё это ограничивает время нахождения ТВЭЛов в активной зоне реактора и приводит к тому, что их надо довольно часто выгружать, заменяя новыми. Во время нахождения в реакторе лишь очень незначительная часть (2-3% для ЛВР и 5-9% для БНР) ядерного топлива расходуется, но при этом объемы материалов в которых это топливо находилось являются очень большими. Напомним, что каждый год количество ОЯТ, находящегося в ТВЭЛах для реактора электрической мощности 1 ГВт составляет: 25 тонн для реактора ВВЭР и 47 тонн для РБМК и дополнительно вместе с ТВЭЛами выгружается в несколько раз больше высокоактивных твердых металлических отходов.

За 40 лет работы радиоактивных отходов накапливается тысячи тонн.

Для переработки по действующей сейчас технологии 1 тонны ОЯТ от ВВЭР образуется жидких отходов: высокоактивных 4,5 м 3, среднеактивных 150 м3 и низкоактивных более 2000 м3. Особую неприятность в реакторах представляют, кроме плутония, другие минорные актиниды – нептуний, америций, кюрий7.

Переход к жидкосолевому уран-ториевому реактору позволяет сократить объёмы радиоактивных отходов в тысячи раз, поскольку для их работы не требуется ежегодная выгрузка-загрузка ТВЭЛов, не требуется и их последующей переработки8. Вес осколочных продуктов реактора тепловой мощностью 300 МВт при кампании 50 лет составит примерно 5,5 тонн, а при средней плотности 2,7 т/куб. м они займут объем примерно 2,0 куб. м. Кроме того в таком реакторе нарабатывается в 104 раз меньше изотопов трансурановых элементов, чем в аналогичном по мощности уран-плутониевом реакторе.

Следует отметить, что рабочие кампании ЖСР предполагаются гораздо более длительными, чем кампании для реакторов на твердом топливе (3-4 г.) Для восполнения сгорающего урана-233 в солевой расплав ЖСР будут периодически добавляться порции тетрафторида ториякоторый при коэффициенте воспроизводства в этих реакторах близких к 1, превратившись в уран-233, сгорает, не требуя какой-либо переработки ОЯТ с его извлечением из реактора. Эта особенность атомных станций делает их практически независимыми от процедур оперативной доставки топлива. Загрузка делящимися материалами происходит только при запуске реактора, а при окончательной остановке реактора оставшийся в нем уран может быть выделен из жидкосолевой композиции фторидов при фторировании с образованием летучего UF6 c использованием его в новом реакторе такого же типа.

Сможет ли ядерная энергетика в XXI веке стать полноценной заменой исчезающим углеводородам? Это определится в первую очередь её гарантированной безопасностью относительно возможности крупномасштабных аварий, а также исключением возможности распространения основной составляющей ядерного оружия - плутония. Весьма важным является обеспеченность топливом на долгие годы и сокращение количества ядерных отходов, в первую очередь плутония и других минорных актинидов (нептуния, америция, кюрия).

Из сказанного в предыдущих разделах вытекает, что по совокупности ключевых параметров уран-ториевый топливный цикл в варианте безтвэльных реакторов удовлетворит потребности человечества в «чистой»

энергии на современном этапе его развития (минимум на тысячу лет), поскольку только в этом варианте для атомной энергетики представляется возможность:

1 - обеспечить нераспространение основной составляющей ядерного оружия - плутония;

2 - сделать её по большому счету безопасной, т.е. исключить саму возможность глобальных аварий (катастроф типа Чернобыля) с огромным экологическим и экономическим ущербом;

3 - весьма экономно использовать ядерное топливо: делящиеся материалы нужны только при запуске реактора;

4 - уменьшить в тысячи раз объёмы ядерных отходов и количество особо опасных кроме изотопов плутония других долгоживущих минорактинидов (нептуния, кюрия, америция);

5 - сделать атомную энергетику экономически выгодной, в первую очередь из-за отсутствия ежегодной загрузки-выгрузки дорогих ТВЭЛов, а также затрат на хранение, переработку облученного ядерного топлива и на вывод ядерных реакторов из эксплуатации.

Мы убеждены, что только вовлечение тория в ядерную энергетику в варианте без твердотопливной загрузки-выгрузки активных зон позволит обеспечить человечество на столетия экологически чистым источником энергии. Но чтобы это произошло не в следующем столетии необходимо уже сейчас решить вполне определенный комплекс конкретных химических, технических, конструкторских и технологических задач. По нашим оценкам для решения их требуется совсем немного времени 3-4 года и скромное финансирование, около 100 млн. руб. (это ничтожно мало по сравнению со средствами, потраченными на программу с реакторами на быстрых нейтронах – около 100 млрд. долл. США). Выполнить эту программу за такое короткое время и на незначительные средства возможно только потому, что существует значительный задел. А именно, уже рассмотрено и опубликовано несколько простых конструктивных решений, исследованы в лаборатории различные материалы и совместимость их с жидкосолевыми композициями. Нам представляется достаточно ясным, как надежно герметизировать топливо и аккумулировать продукты деления. На этой конференции нами представлен доклад, в котором показано, как с помощью дистанционного контроля и средств управления обеспечить полную безопасность работы конкретного варианта запатентованного нами реактора с жидким топливом. В результате исследований будет подготовлено ТЗ на изготовление демонстрационного варианта ЖСР, который может быть спроектирован и построен в последующие 3-4 года. Никаких принципиальных сложностей для создания демонстрационного жидкосолевого реактора не существует.

Задача практического воплощения этого цикла в жизнь достойна стать научной и инженерной целью отрасли на ближайшую перспективу, при строительстве демонстрационного уран-ториевого реактора через 5-7 лет, а не через 45 лет, как записано сейчас в стратегическом плане работ Минатома РФ. О необходимости этого мы говорили на нескольких пагуошских совещаниях и на конференции в ГУАП в 2005 году, а также на последнем международном семинаре в Нижнем Новгороде.

Мы уверены, что страна, которая первой освоит и запустит в широкое производство экологически безопасные ядерные реакторные установки уран-ториевого топливного цикла на базе реакторов с расплавами солей фторидов выйдет на передовые в мире рубежи высоко конкурентоспособных ядерно-энергетических технологий со всеми вытекающими из этого преимуществами.

2. Нанотехнологии в альтернативной ядерной энергетике Альтернативная ядерная энергетика ставит задачу использования ядерной энергетики без наработки плутония - элемента, который наиболее прямым и технически простым способом может быть использован в ядерном терроризме. Этой задаче отвечает торий-урановый топливный цикл, в котором, в отличие от уран-плутониевого цикла, в активной зоне реактора «сгорает» (делится на осколки) уран-233. Этот изотоп нарабатывается в зоне воспроизводства в результате поглощения быстрых нейтронов ядрами тория-232 по реакции 232Th (n, ) 233Тh ( ) 233Ра ( ) 233U (в уранплутониевом цикле «сгорает» плутоний-239, образующийся из урана-238).

Уран-233 является делящимся материалом, из которого в принципе может быть изготовлен ядерный заряд, но на уровне упрощенных технологий этого сделать нельзя вследствие того, что параллельно с наработкой в реакторе урана-233 с неизбежностью образуются примесные количества урана-232, формирующие мощный фон жесткого -излучения его дочерних продуктов радиоактивного распада.

Торий-урановый цикл может быть реализован в традиционных гетерогенных реакторах типа ВВЭР, но наиболее экономически оправданными в данном случае представляются гомогенные, жидкосолевые реакторы (ЖСР). Преимущество ЖСР перед гетерогенными реакторами состоит в том, что солевой расплав, содержащий воспроизводящий материал (торий) и делящийся материал (уран-233) прямо в ходе эксплуатации реактора может полностью освобождаться от газообразных и летучих продуктов, нарабатываемых при делении ядер, что делает его значительно менее опасным в кризисных ситуациях при разрушении активной зоны.

В отличие от гетерогенных реакторов жидкосолевые реакторы существуют лишь в проектах, хотя в 60 годах прошлого века в Окридже был построен прототип ЖСР, показавший хорошие характеристики рабочих параметров и управляемости. Невысокая радиационная и химическая стойкость используемых материалов являлась существенным недостатком того реактора. Предлагаемые в этой работе технические средства могут изменить ситуации и создать материалы, которые обеспечат бесперебойную работу подобного типа реактора. В настоящее время ЖСР относят к перспективным реакторам 4-го поколения. В России в рамках Программы развития атомной энергетики освоение торий-уранового цикла переносят на дальнюю перспективу, на время после освоения уран-плутониевых гетерогенных реакторов на быстрых нейтронах, причём уран-ториевые ЖСР преднаначаются как дожигатели актинидов. В связи с истощением запасов углеводородов можно ожидать ускорения развития атомной энергетики, и, если последняя будет базироваться на традиционном уран-плутониевом цикле, то синхронно будет нарастать опасность ядерного терроризма. Мы считаем, что торий-урановый цикл, в котором практически не нарабатывается плутоний и для которых исключается катастрофический выброс радиоактивных продуктов на большие расстояния, нужно начинать осваивать уже сейчас и именно на базе жидкосолевых реакторов.

Уже сейчас очевидно, что торий-урановый цикл в ЖСР исполнении может нуждается в применении современных нанотехнологий по меньшей мере в трех аспектах. Первый из них относится к проблеме устойчивости графитовой кладки реактора, играющей роль замедлителя и отражателя нейтронов. В ходе длительной непрерывной эксплуатации кладка подвергается механическому (расплав интенсивно перемешивается), химическому и радиационному воздействию со стороны расплава фторидных солей щелочных и щелочноземельных металлов с добавлением фторидов тория, урана и осколочных элементов при температурах 500-800оС. Это воздействие приводит к развитию трещиноватости и распуханию графита и, в конечном счете, к необходимости остановки реактора и замене кладки. Согласно предварительным данным процесс деградации графита резко замедляется при введении в него малых добавок фуллеренов или нанотрубок. Причиной подобного эффекта может служить участие фуллеренов а также нанотрубок и их фрагментов в прерывании процесса трещинообразования и даже в залечивании микротрещин. Для выяснения эффекта добавления таких наноструктур требуется постановка расчетных и экспериментальных материаловедческих исследований с вариацией широкого спектра параметров (содержание и тип наноструктур в графите, время воздействия расплава, температура и ее резкие колебания, воздействие некоторых химически высокоактивных элементов и т.д.). Оптимизация этих параметров позволит значительно увеличить время рабочей фазы ЖСР и, соответственно, эффективность эксплуатации реактора, а также существенно сократить объем твердых радиоактивных отходов (графита).

Второй аспект - сорбционное улавливание фуллеренами основных газообразных и летучих продуктов деления. Основными из них являются сильнейшие нейтронные яды - ксенон и криптон и предельно опасные для здоровья человека йод и тритий. При работе ЖСР эти продукты выносятся потоком гелия, который непрерывно промывает солевой расплав, и затем, после предварительного охлаждения идет на картридж с сорбентом. В качестве сорбента благородных газов и трития обычно используется активированный уголь. После десорбции с угля благородные газы перемораживаются в металлические баллоны, а тритий окисляется в воду. Данные последних лет показали, что фуллерены обладают уникальной сорбционной способностью по отношению к водороду. Это обстоятельство является исключительно важным для улавливания трития, поскольку может серьезно улучшить и упростить технологию этого процесса, а также последующего хранения трития. Необходимо также изучить сорбцию благородных газов и других летучих компонентов в условиях эксплуатации ЖСР и рассмотреть обращение с полученными продуктами. Таким образом, нанотехнологии могут внести существенный вклад в дело реализации торий-уранового топливного цикла в ЖСР-исполнении.

Третий аспект – упрочнение с помощью наноматериалов стенок емкости, для хранения солевой композиции после использования. Этот аспект замыкает цикл и создает надежную изоляцию высокоактивной солевой композиции на сотни лет.

Задел и научные результаты В течение последних лет выполнены следующие работы:

Построена уникальная установка по производству фуллеренсодержащей сажи. Установка производит объемное испарение порошкообразного графита в низкотемпературной плазме. В зависимости от условий эксплуатации в одной и той же установке можно получать фуллеренсодержащую сажу или нанотрубки. Установка использует мощный импульсный источник питания, позволяющий получить короткие импульсы с переменной скважностью с амплитудой тока более 1000 А.

Под руководством профессора д.т.н. В.П. Будтова разработана и опробована высокоэффективная технология экстракции фуллеренов из сажи.

Проведены исследования полученных фуллеренсодержащей сажи с помощью электронного микроскопа с целью выявления графитовых структур являющихся устойчивыми осколками Выполнены работы по созданию и исследованию новых материалов, полученных с использованием фуллеренсодержащей сажи, фуллеренов и нанотрубок. В результате получены следующие результаты:

В содружестве с лабораторией кафедры Военно-морской академии разработан метод насыщения фуллеренами графитовых материалов различного назначения. В частности были изготовлены по этой технологии и испытаны щетки для электродвигателей. В протоколе испытаний отмечено, что щетки при работе не искрят, имеют вдвое меньшее сопротивление и в 10 раз более длительный срок службы.

д.т.н. проф. Игнатьева М.Б. разрабатывается программная система моделирования физико-химических свойств различных наноструктур и композитных материалов созданных на их основе (на базе классических методов линейной комбинации атомных орбиталей и лингво-комбинаторного моделирования), с возможностью визуализации процесса и результатов моделирования.

Под научным руководством ведущего специалиста по теории разрушения материалов Дж. Киялбаева создана и совершенствуется программная система расчета прочностных свойств конструктивных элементов, созданных из новых модифицированных наноструктурами материалов в условиях их эксплуатации при высоких радиационных и высокотемпературных нагрузках.

Через три года будут разработаны новые материалы на основе нанотехнологий, использование которых позволит:

значительно повысит радиационную, механическую, температурную и химическую стойкость реакторного графита, что в несколько раз увеличит срок непрерывной работы реакторной установки на основе расплава фторидов;

получить при использовании наноматериалов эффективные сорбенты для поглощения газообразных и летучих продуктов деления, таких как тритий, благородные газы и т.д. и существенно улучшить технологии обращения с этими веществами;

значительно улучшить прочность материалов для захоронения высокоактивных радиоактивных отходов, что в несколько раз увеличит сроки их надежного захоронения.

Технология виртуальных миров позволяет наглядно представить эти процессы.

Литература:

1. М.Б. Игнатьев «Информационные технологии в микро-, нано- и оптоэлектронике» монография, Санкт-Петербург, 2008.

ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

ГИБРИДНОЙ ЛАЗЕРНО-ДУГОВОЙ СВАРКИ

МЕТАЛЛОВ БОЛЬШИХ ТОЛЩИН

Введение Идея совместно использовать лазерное излучение и электрическую дугу для сварки и других видов обработки металлов таким образом, чтобы оба источника тепла воздействовали на изделие в пределах одной зоны нагрева, родилась в конце 1970-х годов [1 - 4]. Были предложены способы сварки, резки, сверления и обработки поверхности, при которых на обрабатываемое изделие направляют лазерный луч и одновременно в зоне теплового воздействия лазерного излучения возбуждают дугу между электродом и изделием. До недавнего времени в качестве лазерного источника применялись мощные СО2 лазеры, генерирующие излучение с длиной волны 10,6 мкм. Взаимодействие излучения данной длины волны с металлами сопровождается возникновением оптического разряда в зоне взаимодействия, что оказывает существенное влияние на параметры сфокусированного луча, долю поглощенной энергии в мишени и плазме в зоне взаимодействия. Существенно по иному происходит взаимодействие с мишенью лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм. Однако мощные лазерные установки с такой длиной волны отличались низким качеством излучения и малой надежностью. Только недавно появились технологические твердотельные лазеры мощностью от 10 до 30 кВт непрерывного излучения, обладающие высоким качеством луча и высокой надежностью.

Такими лазерами являются иттербиевые волоконные лазеры. Твердотельные лазеры вступают в непосредственную конкуренцию с хорошо зарекомендовавшими себя ранее разработанными CO2 лазерами высокой мощности.

В настоящее время в России стоят задачи модернизации и дальнейшего развития ключевых отраслей промышленности: авиастроения, судостроения, трубопроводного транспорта, что требует создания оборудования и технологий, обеспечивающих сварку металлов больших толщин с минимальными сварочными деформациями, высоким качеством формирования сварного шва и обеспечением требуемых механических свойств соединения.

Задача автоматизированной сварки толстостенных конструкций (до 35 мм) с требуемым качеством и высокой производительностью до сих пор не является до конца решенной. Имеющиеся способы дуговой и электронно-лучевой сварки имеют недостатки, из-за которых сварка труб на заводе, а тем более в полевых условиях не дает требуемых качества шва и производительности. Дуговая сварка не обеспечивает требуемых механических свойств сварного соединения при сварке новых высокопрочных сталей. В частности корневой проход при сварке высокопрочных сталей не отвечает предъявляемым требованиям по ударной вязкости.

Применение электронно-лучевой сварки сопряжено с использованием вакуумных камер, что крайне затрудняет ее применение. В случае вывода электронного луча в атмосферу мы сталкиваемся с необходимостью защиты от рентгеновского излучения. Кроме того, применение электронного луча требует высокого качества и точности подготовки кромок, что часто невозможно при производстве крупногабаритных конструкций, например, таких как трубы большого диаметра.

Главными недостатками лазерной сварки являются высокие требования по сборке кромок под сварку и невозможность получения требуемых механических свойств сварного шва и зоны термического влияния.

Указанные недостатки устраняются с помощью совместного лазернодугового воздействия на металл.

Преимущества лазерно-дуговой сварки по сравнению с лазерной сваркой:

Большая толерантность по отношению к точности сборки.

Возможность заполнения разделки за один проход.

Более высокая производительность.

Обеспечение свариваемости специальных трубных сталей за счет дополнительного легирования с помощью электродной Анализ результатов исследований процесса лазерно-дуговой сварки дает возможность заключить, что существует ряд вопросов, решение которых требуется для разработки надежной технологии сварки металлов больших толщин.

Результаты работ, изложенные в данном докладе, выполнены в рамках проекта осуществляемого с целью разработки опытного образца лазерно-дугового технологического комплекса и технологии сварки больших толщин, обеспечивающей получение прочностных характеристик зоны сварного соединения на уровне основного металла.

Вопросы, связанные со свариваемостью, решение которых необходимо найти в ходе выполнения данного проекта, таковы:

резкое увеличение ширины шва в верхней части его поперечного сечения;

неблагоприятное направление роста кристаллов;

наличие закалочных структур в зоне глубокого проплавления;

наличие множества газовых пор;

неудовлетворительные значения ударной вязкости осевой зоны, особенно при отрицательных температурах испытаний.

Результаты предварительных экспериментов по лазерной и гибридной сварке показали, что без дополнительного легирования металла литой зоны шва невозможно достичь требуемых показателей по ударной вязкости. В ходе выполнения данного проекта легирование осуществлялось за счет присадочной проволоки, в том числе порошковой, расплавляемой электрической дугой. Для обеспечения легирования металла узкой, кинжальной части канала проплавления, планируется использовать возможность управления гидродинамикой течения расплава в сварочной ванне за счет сканирования лазерного луча с малыми амплитудами.

В связи с этим можно сформулировать задачи, которые необходимо решить для получения качественного сварного соединения:

Исследование и математическое моделирование процесса лазерно-дуговой сварки.

Разработка метода высокопроизводительной автоматической гибридной лазерно-дуговой сварки.

Разработка технологического оборудования, позволяющего реализовать процесс сварки.

Разработка технологии, обеспечивающей равнопрочность сварного шва и основного металла.

Повышение производительности процесса за счет уменьшения числа проходов, и автоматизации процесса.

Повышение эффективности процесса и снижение деформаций конструкции за счет повышения термического КПД сварки.

Снижение металлоемкости процесса сварки за счет уменьшения угла наклона кромок разделки.

Разработка систем мониторинга и систем автоматического Сотрудники ГОУ СПбГПУ на протяжении более 30 лет занимаются изучением физики процессов взаимодействия концентрированных потоков энергии с материалами в условиях сварки и разработкой технологических процессов лазерной обработки. Одним из результатов многолетней работы является разработанная в ИЛиСТ ГОУ СПбГПУ компьютерная программа LaserCad для моделирования лазерной, дуговой и гибридной сварки, позволяющая прогнозировать форму сварного шва в зависимости от заданных параметров источников энергии и материала. Далее приведён пример моделирования лазерной и гибридной сварки стали AISI 1330. На рис. представлены результаты расчета поперечного сечения зоны проплавления и зоны термического влияния при лазерной и лазерно-дуговой сварке.

Кроме того, представлены рассчитанные термические циклы, совмещенные с анизотермическими диаграммами превращения аустенита, позволяющие оценивать фазово-структурный состав металла после сварки.

Рис. 1. Результаты математического моделирования лазерной и гибридной сварки стали AISI Данная модель позволяет оценить требуемые параметры источников нагрева, спрогнозировать фазово-структурный состав металла после сварки и тем самым снизить объем экспериментальных работ по проекту.

Процессы гибридной лазерно-дуговой сварки с глубоким проплавлением, так же как родственные процессы лазерной сварки, часто сопровождаются появлением пористости и формированием корневых пиков в сварных швах [5]. В соответствии с современными представлениями о физической природе процессов лазерной сварки, причиной этого является развитие автоколебаний парогазового канала и сварочной ванны при сварке с глубоким проплавлением [6], что подтверждается многочисленными экспериментальными результатами [7, 8, 9].

Сравнительные исследования движения жидкого металла на поверхности сварочной ванны и процесса образования корневых пиков подтверждают соответствие между пикообразованием и выплескиванием расплавленного металла из сварочной ванны. Такие же результаты были получены позднее при рентгеновской съемке [10]. Анализ автоколебательных процессов при воздействии концентрированных источников энергии на вещество основывается обычно на линейной теории устойчивости [11, 12] с учетом совместного развития тепловых, гидро- и газодинамических возмущений, релаксационных процессов и экранировки поверхности мишени продуктами испарения. Попытки учесть реальную геометрию поверхности канала при лазерной сварке ранее предпринимались авторами [13, 14], но непосредственно использовать полученные результаты для случая гибридной сварки не представляется возможным.

Необходимо отметить, что линейный анализ устойчивости позволяет только определить границы области устойчивых режимов сварки, но непригоден для анализа случая развитых колебаний большой амплитуды.

Для этих целей более удобным является описание временной динамики радиуса парогазового канала на основе редукции задачи к одному обыкновенному дифференциальному уравнению, подобное приведенному в [15].

Авторы этой работы рассматривают баланс давлений на поверхности канала как движущую силу процесса и используют осевую симметрию модельной задачи для редукции уравнений гидродинамики к одному обыкновенному дифференциальному уравнению, но данная модель предсказывает только затухание колебаний. Исследования природы автоколебаний при лазерной сварке продолжаются и в последние годы [16]. Для детального понимания природы динамических процессов, протекающих в сварочной ванне при сварке с глубоким проплавлением, необходимо иметь динамическую модель сварочного процесса, основанную на физическиадекватной картине процесса лазерной сварки с глубоким проплавлением.

Использование такой модели в системах контроля и управления требует возможности работы в режиме реального времени. Эти требования не позволяют создать динамическую модель лазерной сварки на базе прямых решений всех взаимосвязанных физических задач, как это было сделано для стационарной модели [17,18,19]. Наиболее целесообразный путь разработки динамической модели - это использование вариационных принципов и формализма механики Лагранжа, что позволяет свести модель к системе обыкновенных дифференциальных уравнений.

1. Экспериментальные исследования технологического процесса лазерно-дуговой сварки В экспериментах была использована гибридная лазерно-дуговая сварочная установка, собранная в ИЛиСТ СПбГПУ на базе исследовательского лазерного комплекса, приобретенного в рамках инновационной образовательной программы СПбГПУ.

В качестве источника лазерного излучения использовался иттербиевый волоконный лазер ЛС-5 с максимальной выходной мощностью 5 кВт.

Излучение транспортировалось по волоконному кабелю к оптической сварочной головке лазерно-дугового модуля. Для фокусировки излучения использовалась сварочная головка YW50 фирмы Precitec с фокусным расстоянием 350 мм и фокальным диаметром 0.4 мм.

Экспериментальная установка также укомплектована источником питания дуги ВДУ-506ДК, производства фирмы «ИТС», лицензированным для сварки трубопроводов. Данный источник питания обеспечивает в режиме MIG-MAG (плавящийся электрод в среде инертного или активного защитного газа) требуемые значения наклона внешней характеристики. В диапазоне токов сварки 300…400 А, при ПН = 100% и напряжении 29…30 В может быть достигнута эффективная тепловая мощность дугового источника 6500…9000 Вт. Для подачи присадочного материала использовался полуавтомат ПДГО – 511, входящий в комплект дугового модуля.

Гибридная лазерно-дуговая сварочная установка представлена на рис. 2.

Рис. 2. Гибридная лазерно-дуговая сварочная установка:

а - иттербиевый волоконный лазер ЛС-5; б - гибридная сварочная головка; в - дуговой источник ВДУ-506ДК; г – двухкоординатный манипулятор изделия и полуавтомат ПДГО-511.

В ходе экспериментов проплавлялись и сваривались в стык плоские образцы толщиной 8 мм, 10 мм и 12 мм из сталей Ст3, 25Г2С, 10Г2ФБЮ, 12Х18Н9Т. Сварка осуществлялась прямолинейными стыковыми швами в нижнем пространственном положении. Для защиты сварочной ванны и металла шва использовались аргон, двуокись углерода сварочная и их смеси. Расстояние от коаксиальной защитной форсунки газа до листа 8,0 мм.

В качестве присадочного материала в экспериментах использовались порошковые проволоки с повышенным содержанием раскислителей и флюсующими материалами способными создавать на поверхности сварочной ванны жидкие пленки, препятствующие проникновению газов (кислорода и азота) в расплавленный металл.

Качество всех сварных швов оценивалось визуально по их внешнему виду и на основании металлографических исследований поперечных шлифов. Определялись глубины проплавления и другие параметры геометрии шва.

2. Результаты экспериментов Проведенные испытания экспериментального комплекса показали его высокие технологические возможности. При совместном использовании лазера мощностью до 5 кВт и дугового модуля с плавящимся электродом получено проплавление в стыковом соединении стали толщиной не менее 8 мм и заполнение зазора 0,5 мм и более при высокой плотности шва (табл. 1).

В проведенных опытах объем наплавленного присадочного металла составлял около 30% от общего объема металла сварочной ванны.

С помощью проведенных экспериментов было установлено влияние скорости сварки, энергии дуги и присадочного материала на сварочный процесс и соответственно формирование шва в условиях лазерно-дугового сварочного процесса. Тем не менее, для более глубокой физической интерпретации наблюдаемых явлений были проведены теоретические исследования и расчеты.

3. Исследование динамического поведения сварочной ванны при гибридной сварке мощным волоконным лазером Технологические эксперименты по сварке низкоуглеродистых и нержавеющих сталей, проведенные с помощью гибридного лазерно-дугового комплекса, описанного выше, показали, что в ряде случаев формирование сварного шва сопровождается формированием на его верхней и нижней поверхностях развитой квазипериодической волновой неустойчивости (см. рис. 3), иначе называемой хампинг-эффектом.

Рис. 3. Квазипериодические волны закристаллизовавшегося расплава на нижней поверхности сварного шва. Материал – сталь 12Х18Н10Т, мощность излучения 4.5 кВт, скорость сварки 25 мм/с При этом различные комбинации параметров режима гибридной сварки, обеспечивающие одинаковую глубину проплавления, характеризуются различной степенью стабильности формирования шва (см. рис. 4).

Для анализа причин возникновения хампинг-эффекта при гибридной сварке и выбора путей его устранения наиболее целесообразным является математическое моделирование процесса на основе физически-адекватной модели, позволяющее проанализировать связь различных физических явлений, ответственных за развитие неустойчивостей сварочной ванны. Для определения временных характеристик динамических процессов в зоне гибридного разряда над поверхностью изделия и установления их связи с динамическими процессами в сварочной ванне были проведены эксперименты по измерению динамического поведения яркости разрядного промежутка. Для этих целей было использовано исследовательское лабораторное оборудование ЦКП «Лазерные и оптические технологии»

(ЦНИИ РТК, Санкт-Петербург), а именно: специально разработанная система регистрации плазменного факела (см. рис. 5), включающая в себя блок оптической регистрации с объективом, кассетой для светофильтров и CCD матрицей для регистрации сигнала и модуль цифровой обработки сигнала.

а - оптический блок; б - модуль цифровой обработки Для исключения влияния разогретой поверхности образца использовались оптические коллиматоры, ограничивающие размер исследуемой зоны таким образом, что поверхность находилась вне поля зрения оптической системы. Для исключения влияния отраженного лазерного излучения использовались полосовые оптические фильтры. Эксперименты показали, что динамическое поведение яркости, пример которого показан на рис. 6, характеризуется наличием низкочастотных колебаний, спектральные характеристики которых совпадают со спектром колебаний расплава в сварочной ванне, и пиков яркости, соответствующих свечению капель электродного металла, переносимых через разрядный промежуток.

4. Описание динамической модели Для построения динамического описания активной зоны при гибридной лазерно-дуговой сварке с глубоким проплавлением на основе механики Лагранжа необходимо, в первую очередь, выбрать обобщенные координаты, временная динамика которых позволит с необходимой точностью описать все интересные для приложений процессы, такие как волновое движение поверхности парогазового канала, изменение формы и размеров сварочной ванны во времени и влияние движения канала в целом на колебания его глубины и радиуса. Также необходимо принять во внимание влияние вязких сил в расплаве, процессов испарения и давления отдачи при испарении на динамику расплава. Первым этапом на этом пути является построение в явном виде функции Лагранжа, что требует знания кинетической и потенциальной энергии системы. Кинетическая энергия определяется движением расплава и требует для расчета знания поля скоростей течения. Сложность задачи приводит к необходимости использования геометрии модели и возможных упрощений при выводе уравнений движения с помощью Лагранжева формализма. Положим, что глубина проплавления H>>a, где a – радиус парогазового канала, и будем игнорировать отклонение стенок канала и сварочной ванны от направления оси лазерного луча. Схематически разбиение активной зоны на части для облегчения вычисления кинетической энергии течения расплава и отображение активной зоны с помощью конформного отображения представлено на рис. 7.

где - область расплава, - граница области расплава, a и А –радиусы образов парогазового канала и канала проплавления, H – глубина парогазового канала, Hp – глубина проплавления,G и g – образы поверхностей канала проплавления и парогазового канала соответственно.

Поскольку диапазон чисел Рейнольдса для типичных режимов лазерной сварки лежит в пределах от 10 до 100, то с достаточной точностью течение расплава может быть принято потенциальным с пограничными слоями. В объеме расплава такое течение описывается потенциалом течения удовлетворяющим уравнению Лапласа 0 и граничным условиям:

где функция «f» определяется движением канала, n – нормаль к поверхности парогазового канала. Получить аналитическое решение задачи о потенциальном движении расплава в области, показанной на рисунке 6 слева невозможно, но, используя конформное отображение [20], можно свести задачу к определению поля скоростей в области, ограниченной двумя коаксиальными цилиндрами с радиусами A и a, и далее строить все описание в пространстве отображения. Особенно удобно это будет сделать, если в пространстве отображения представить энергию как функцию только площадей сечения отображений канала проплавления S и парогазового канала s. Формализм, описанный в [21], позволяет вывести уравнения динамической модели лазерной и гибридной лазерно-дуговой сварки в виде уравнений Лагранжа:

где qi последовательно принимает значения обобщенных координат H, s0, s1,...sn,..., L – функция Лагранжа.

5. Результаты моделирования и их обсуждение Для определения начальных условий для моделирования динамического поведения сварочной ванны при лазерно-дуговой сварке была использована квазистационарная модель процесса ЛДС (рис. 8).

Для верификации модели при сварке волоконным лазером была проведена серия экспериментов по сварке низкоуглеродистой стали на различных режимах сварки. Примеры результатов экспериментов приведены ниже на рис. 9. Пример сравнения результатов моделирования процесса гибридной сварки с помощью волоконного лазера с экспериментальными данными приведен на рис. 10. Сопоставление расчетных и экспериментальных результатов подтвердило применимость модели и высокую точность расчетов, обеспечивающую величину относительной ошибки не более 7%.

Рис. 9. Макрошлифы образцов, сваренных при различной скорости сварки и мощности лазерного излучения 4.5 кВт для Рис. 10. Пример сравнения результатов моделирования с Для проведения динамических вычислений система уравнений Лагранжа была «обрезана» на s2 и полученная система из четырех обычных дифференциальных уравнений второго порядка была решена численно методом Рунге-Кутта. Для проверки разработанной модели была проведена серия численных экспериментов по сварке малоуглеродистой стали в диапазоне мощностей от 1 до 10 кВт и при скорости сварке от 0,3 до 5 см/с.

На рис. 11, 12 приведены примеры вычислений при следующих параметрах: мощность Q = 3 kW, скорость сварки v = 1 см/с, поперечная мода TEM00 и фокальный радиус луча 0,015 см (86% от полной мощности), фокусное расстояние 20 см. Начальные условия взяты из результатов моделирования лазерной сварки по стационарной модели [22].

Когда избыточное давление паров внутри канала становится равным капиллярному давлению, силовая часть уравнений обращается в ноль. Это условие определяет точку неустойчивого равновесия. Анализ фазовых портретов обобщенных координат демонстрирует наличие ограниченных областей (аттракторов), плотно заполненных фазовыми траекториями, причем форма границ и размеры этих аттракторов определяются параметрами режима сварки, такими как скорость, мощность излучения, его модовый состав, параметры фокусировки. Результаты моделирования показывают, что различные обобщенные координаты имеют различные спектры колебаний. Низкие частоты (меньше чем 500 Гц) типичны для колебаний радиуса канала. Интенсивность высокочастотных компонентов в спектре колебаний глубины канала больше, чем тех же компонентов в спектре колебаний радиуса. Волны первого (s1) и второго (s2) порядка имеют высокочастотный спектр (выше 10 кГц). Эти спектры также зависят от глубины канала, причем повышение скорости сварки смещает спектры колебаний в высокочастотную область.

Данная модель описывает нелинейные колебания канала, амплитуды которых не являются малыми, что позволяет более точно исследовать гидродинамическую стабильность формы канала по сравнению с линейным анализом устойчивости [14].

Рис. 13 иллюстрирует зависимость между динамикой площади поперечного сечения канала «s», амплитудами волн на поверхности канала «s 1»

и «s2» с одной стороны и эмиссионными акустическими параметрами с другой стороны. Временная динамика акустической эмиссии наиболее близка к динамике наиболее высокочастотной обобщенной координаты «s2», но частотный спектр лежит в диапазоне меньших частот.

Возрастание мощности и, таким образом, увеличение глубины проплавления приводит к сдвигу спектра в направлении меньших частот, что коррелирует с поведением спектров всех обобщенных координат динамической модели канала. Изменение скорости сварки, как показано на рисунке 14, приводит к таким же изменениям спектра акустической эмиссии, так что, по-видимому, определяющее значение здесь имеет глубина канала.

Рис. 13. Временное поведение площади поперечного сечения канала «s» (а), амплитуд волн поверхности канала «s1» (б) и «s2» (г) и интенсивности акустической эмиссии «I» (в) а – скорость сварки 5 см/с (глубина проплавления 0,25 см);

б – скорость сварки 3 см/с (глубина проплавления 0,42 см);

в – скорость сварки 1 см/с (глубина проплавления 1,1 см) Разработанный математический формализм был встроен в систему CAE LaserCAD, что позволяет использовать его для динамического анализа появления пористости и спайкинга (см. рис. 15).

Рис. 15. Моделирование динамического поведения сварочной ванны при гибридной лазерно-дуговой сварке, материал – Сталь 10, мощность лазерного излучения 4.5 кВт, скорость сварки 12 мм/с, фокальный радиус луча 0.2 мм, фокусное расстояние 30 см, Технологические эксперименты по проплавлению образцов из нержавеющей стали подтверждают предсказываемый теорией неустойчивый характер формирования как верхней, так и нижней поверхностей шва (см. рис. 16), характеризующийся формированием квазипериодических волн расплава, как на верхней, так и на нижней поверхностях.

Также представительны результаты моделирования временного поведения глубины проплавления и площади поперечного сечения парогазового канала (см. рис. 17).

Рис. 17. Результаты моделирования колебаний глубины проплавления (а) и площади поперечного сечения парогазового канала (б), в – формирование нижней поверхности сварного шва Таким образом, можно заключить, что динамическая модель процесса формирования шва при гибридной лазерно-дуговой сварке является эффективным средством анализа нестационарных процессов и может обоснованно применяться для отбора стабильных технологических режимов.

Результаты моделирования и экспериментальных исследований показывают, что стабильность формирования сварного шва определяется, в основном, значениями фокального радиуса лазерного луча и формой распределения интенсивности лазерного излучения. При этом повышение скорости сварки до значений, превышающих 1 м/мин. и выше ведет к повышению стабильности формирования сварного шва. Также стабилизирующее влияние оказывает повышение тока электрической дуги и, соответственно, скорости подачи электродной проволоки.

Заключение Лазерно-дуговая сварка является сложным многопараметрическим процессом, характеризующимся параметрами, присущими не только лазерной (длина волны, мощность и качество лазерного излучения, размеры и положение сфокусированного луча) и дуговой сварке (ток и напряжение на дуге, вылет электрода, длина дуги, скорость подачи проволоки) но и специфическими параметрами, характерными именно для их совместного воздействия, например, положение лазерного луча относительно дугового пятна на поверхности изделия. Кроме того, важным является состав газовой защитной атмосферы, химический состав присадочного материала, подготовка свариваемых кромок под сварку.

В ходе данной работы были проведены исследования влияния некоторых из вышеперечисленных параметров на геометрию зоны проплавления. Установлено, что в изученных диапазонах параметров возможно получение зон проплавления, обеспечивающих малый удельный энерговклад и достаточных для образования монолитного сварного соединения. При этом зона термического влияния, которая может являться источником зарождения таких дефектов как трещины, достаточно узка и при толщине сваренных образцов 8 мм не превышает 1,0…1,5 мм.

Показана возможность формирования однопроходного сварного шва, при котором присадочный материал проникает на всю глубину провара.

Фактором, способствующим проникновению присадочного материала в корень шва, может являться сканирование лазерного луча внутри сварочной ванны. С целью выявления оптимальных частот сканирования в ходе данной работы были изучены амплитудно-частотные характеристики колебаний пароплазменного факела, истекающего из зоны взаимодействия луча со свариваемым материалом. Показано наличие характерных частот колебаний в диапазоне десятков, сотен и тысяч герц, совпадающих с частотами перемещения жидкой фазы внутри сварочной ванны и зоны взаимодействия лазерного луча по передней стенке парогазового канала.

Возможность формирования металла шва за счет присадочного материала в сочетании с возможностью регулируемого за счет сканирования участия в этом процессе основного металла обеспечивает получение его требуемых механических свойств.

С целью предотвращения формирования пор и растворения газов (азот, кислород) в жидком металле, уменьшения разбрызгивания металла и в конечном счете обеспечения качества сварного соединения, процесс сварки следует вести в среде защитных газов. В качестве таких газов целесообразно использовать аргон или смеси аргона с небольшими добавками углекислого газа (5…10%).

Библиографический список 1. Пат. 1547172 Великобритания, МКИ B23K 26/00, 9/00. Methods and apparatus for cutting, welding, drilling and surface treating / W. M. Steen. Опубл. 06.06.79.

2. Пат. 1600796 (доп. к пат. 1547172) Великобритания, МКИ B23K 26/00, 9/00. Improvements in methods and apparatus for cutting, welding and surface treating / W. M. Steen. - Опубл. 21.10.81.

3. Пат. 4167662 США, МКИ B23K 9/00. Methods and apparatus for cutting and welding / W. M. Steen. - Опубл. 11.09.79.

4. Пат. 2813642 Германия, МКИ B23K 26/00. Verfahren und vorrichtung zur bearbeitung von werkstucken mittels eines laserstrahls / W. M. Steen. Опубл. 04.10.79.

5. Matsunawa A., Mizutani M., Katayama S. and Seto N., Porosity formation mechanism and its prevention in laser welding, Welding International 17 (6) 431–437.

6. V. Lopota, G. Turichin, I. Tzibulsky, E. Valdaytzeva, E.W. Kreutz, W. Schulz, Theoretical description of the dynamic phenomena in laser welding with deep penetration, Bellingham/Wash.: SPIE, 1999 (SPIE Proceedings Series 3688), pp.98-107.

7. T. Forsman, J. Powell, C. Magnusson, Process instability in laser welding of aluminum alloys at the boundary of complete penetration, Journal of Laser Applications, October 2001, V. 13, Issue 5, pp. 193-198.

8. Bashenko V.V., Mitkevich E.A., Lopota V.A., Peculiarities of heat and mass transfer in welding using high energy density power sources. 3-d Int. Coll.

on EBW. - Lion. - 1983. - p. 61 - 70.

9. В.А. Лопота, В.С. Смирнов, Структура материала и его параметры в зоне действия луча при лазерной сварке с глубоким проплавлением, ФиХОМ, 1989, № 2, стр. 104-115.

10. Akira Matsunawa, Jong-Do Kim, Naoki Seto, Masami Mizutani, and Seiji Katayama Dynamics of keyhole and molten pool in laser welding, Journal of Laser Applications, December 1998, V. 10, Issue 6, pp. 247-254.

11. I.V. Zuev, S.V. Selischev, V.I. Skobelkin, Self-oscillations under action of high density energy source on materials, Physics and Chemistry of Material Treatment, 1980. N 6. p. 3 - 7.

12. А.А. Углов, С.В. Селищев, Автоколебательные процессы при воздействии концентрированных потоков энергии, Москва: Наука, 1987, 152 с.

13. Ф.Х. Мирзоев, Испарительно-капиллярная неустойчивость в глубокой парогазовой каверне, Квантовая электроника, 1994, 21 (2), 147-150.

14. Туричин Г.А., Гидродинамические аспекты устойчивости парогазового канала при лучевых видах сварки, ФиХОМ, 1996, № 4, с. 74-81.

15. V.V. Semak, J.A. Hopkins, M.H. McCay, T.D. McCay, Melt pool dynamics during laser welding, 1995, J. Phys. D: Appl. Phys., V. 28 p. 2443-2450.

16. Lee Jae Y.; Ko Sung H.; Farson Dave F.; Yoo Choong D., Mechanism of keyhole formation and stability in stationary laser welding, 2002 J. Phys. D:

Appl. Phys. 35 1570-1576.

17. A. Kaplan. A model of deep penetration laser welding based on calculation of the keyhole profile. J.Phys.D: Appl.Phys. 27 (1994), p. 1805 - 1814.

18. Beyer E., Dahmen M., Fuerst B., Kreutz E., W.,Nitchs H., Schulz W., A Tool for Efficient Laser Processing, Proceedings of 14 Int. Congress on application of lasers - ICALEO-95, San Diego, USA. p. 1035-1039.

19. Schulz, B. Fuerst, S. Kaierly, G. Turichin, E.W. Kreutz, R. Poprawe, Powerful Features for LBW Including Theoretical Aspects, ICALEO’96, Detroit, USA, Orlando, Fla.: LIA, 1996 (LIA 81), p.1-9.

20. Г.А. Туричин. Теоретические основы и моделирование лучевой сварки металлов с глубоким проплавлением, дисс. д.т.н., СПб, 2000, 299 c.

21. Г.А. Туричин, Е.А. Валдайцева, Е.Ю. Поздеева, Е.В. Земляков, А.В. Гуменюк. Моделирование динамического поведения cварочной ванны при лазерной и гибридной сварке c глубоким проплавлением // Автоматическая сварка. 2008, № 7.

22. Модель лазерной сварки с глубоким проплавлением для применения в технологии. Лопота В.А., Сухов Ю.Т., Туричин Г.А., Известия академии наук, сер. Физическая, т. 61, № 8, 1997, стр. 1613-1618.

ХАЛЬКОГЕНИДНЫЕ СТЕКЛА:

ВЧЕРА, СЕГОДНЯ, ЗАВТРА

В настоящее время стеклообразные и аморфные материалы занимают важную роль в научных и прикладных разработках и исследованиях.

Достаточно отметить такие разделы науки и техники как микроэлектроника, оптика, нанохимия и другие. Особое место среди стеклообразных материалов занимают халькогенидные стекла или халькогенидные материалы (см. нижеприведенную схему):

СТЕКЛА

Халькогенидными стеклами называют стекла, одним из элементов которых является халькоген: сера (S), селен(Se) или теллур(Te). Достаточно часто используются и другие названия, в частности халькогенидные стеклообразные материалы (ХСМ), халькогенидные стеклообразные полупроводники (ХСП). Халькогенидные стекла (ХС) были открыты в 1955 году сотрудниками ФТИ им. А.Ф. Иоффе Б.Т. Коломийцем и Н.А. Горюновой.

Длительное время, несмотря на большое количество центров в мире и в СССР по исследованию ХС, практического использования их в качестве оптических и других материалов было не так много.

Причины:

- особенности состава;

- характер химической связи;

- недостаточное количество комплексных исследований;

- отсутствие ряда данных по некоторым физико-химических характеристик и температурному интервалу;

- недостаток интегральных идей, подходов, критериев, фундаментальных теоретических обобщений;

- большинство исследований – «вширь»;

- исчерпание возможностей имеющейся экспериментальной базы по синтезу ХС;

- ограничения по элементному составу;

- недостаточная чистота получаемых стекол.

На кафедре «Общая и неорганическая химия» СПбГПУ с 70-х годов прошлого столетия проводилось и проводятся до настоящего времени системное изучение халькогенидных стекол. За это время были поставлены и в определенной мере решены следующие вопросы:

- разработка базовых основ универсального критерия стеклообразующей способности веществ различного состава;

- полиморфизм и стеклообразование ХС;

- моделирование и последующий синтез новых систем и составов ХС, содержащих новые элементы или необычные количества элементов;

- разработка новых и усовершенствование существующих методов синтеза ХС;

- разработка и создание установок и методик, позволяющих исследовать ХС в широком температурном интервале;

- развитие и обоснование применения ряда методов по комплексному исследованию локальной структуры, дефектов и химической связи в ХС: ЭПР-спектроскопия, масс-спектрометрия, магнетометрия, коэффициент термического расширения, спектроскопия комбинационного рассеяния света и др.;

- получение ХС повышенной степени чистоты и др.

Расчетные и теоретические данные по стеклообразующей способности (G) веществ различного состава приведены на рис. 1 и 2.

Рис. 1. Зависимость G от N для некоторых простых и двух компонентных стеклующихся веществ при самопроизвольном охлаждении их расплавов. Сплошная линия соответствует теоретической зависимости, описываемой уравнением GT o - простые и двухкомпонентные вещества; - тройные и более сложные халькогениды и галогенхалькогениды; - силикаты, бораты, фосфаты, фторбериллаты, фторфосфаты, фторсиликаты В настоящее время халькогенидные стекла можно подразделить на три группы, как показано на следующей схеме:

ХАЛЬКОГЕНИДНЫЕ СТЕКЛА

Основной элементный состав всех групп халькогенидных систем представлен в приведенной ниже табл.

Периодической системы Д.И. Менделеева, образующие халькогенидные, галогенхалькогенидные и фуллеренхалькогенидные стеклообразные материалы На рис. 3 представлены с использованием критерия G предварительно рассчитанные и далее определенные области стеклообразования в ряде халькогенидных систем.

Рис. 3. Рассчитанные и экспериментальные области стеклообразования в халькогенидных системах Ge-S-Br, Te-I-Br, Ga2S3-GeS2-NaF, Ga2S3-GeS2-PbF2, Ge-Se-Br В последующих табл. приведены обобщенные нами данные по изученным и проанализированным с учетом критерия G халькогенидные системы.

Халькогены Тройные системы (выделены системы, предвари- Sn-Se; Cu-As-S; Si-As-Te; Sb-S-Br;

тельно рассчитанные нами и за- Sb-S-Se; Cu-As-Te; B-As-Se; Ag-SeAs; Rb-As-Se; Ag-As-S; Ge-Sb-Se;

тем синтезированные) Четверные системы Tl-As-S-Se; As-Sb-S-I; Tl-As-S-Br;

Пятерные системы Проанализировав области стеклообразования с учетом полиморфных модификаций образующих их веществ мы установили четкую зависимость между ними (рис. 4.).

количество полиморфных модификаций N для ряда бинарных (а) и тройных (б) халькогенидных систем Для синтеза новых халькогенидных стекол, содержащих в том числе активные и летучие компоненты, нами была разработана серия оригинальных устройств, защищенных авторскими свидетельствами и патентами (рис. 5).

Рис. 5. Примеры схем разработанных устройств для синтеза ХС, содержащих активные и летучие компоненты Для изучения синтезированных новых халькогенидных стекол нами были созданы оригинальные установки, позволяющие проводить исследования в широком интервале температур, вплоть до критических (рис. 6-8).

Рис. 6. Схема установки для определения Рис. 7. Схема устройства КОТР халькогенидных стекол (а). для определения КОТР вывод формулы определения КОТР (б) высокой вязкостью Рис. 8. Схема установки для определения давления пара халькогенидных стекол в широком температурном интервале Для исследования ближнего и среднего порядка и структурных превращений в ХС была разработана научная база ЭПР и фото-ЭПР спектроскопии халькогенидных стекол, изучены их магнитные, оптические, термические, электрические свойства, исследованы их масс-спектры (рис. 9-17).

Рис. 9. Спектры ЭПР СПЦ стекол Рис. 10. Спектры фотовозбужсистемы PxSe1-x (I). Температурная дения ЭПР в: I-a-Se (параметзависимость интенсивности сигнала ры моделирования g1=2,00;

в образце состава P4Se2 (II).СПЦ – g2=2,03; g3=2,14); II-аморфном собственные парамагнитные центры фосфоре, III-стекле P4Se Рис. 11. Спектры индуцированного Рис. 12. Зависимость от соЭПР в стеклах системы Asy/2Py/2S1-y, става стекол системы возб=0.5145 мкм As2S3-xTex, – магнитная восприимчивость Рис. 13. Концентрационная за- Рис. 14. Зависимость КОТР от висимость мольной инфракрас- температуры составов:

ной поляризуемости стекол 1 – As2S3, 2 – As2Se3, 3 – As2Te3, PxSe1-x (1) и AsxSe1-x(2). 4 – TlAsS2, 5 – TlAsSe2, 6 – TlAsTe a – область существования КОТР – коэффициент объемного четырехкоординированного термического расширения б – область кристаллизации Рис. 15. Зависимость изменения Рис. 16. Зависимость электропрообъема TlAsSe2 от температуры водности стеклообразного селена при различных скоростях при 293 К от напряженности нагревания образца: 1 – 1,32; магнитного поля Н при синтезе.

2 – 0,93; 3 – 0,81; 4 – 0,70; Температура синтеза К:

Рис. 17. Масс-спектр стекла состава As2S3 и Ag3AsS Для получения халькогенидных стекол повышенной чистоты нами были разработаны оригинальные методы для этих целей (один из них приведен ниже).