Обнинск инновационный

В обнинском Институте атомной энергетики молодые учёные и аспиранты создают материалы с новыми свойствами. Звучит фантастично: словно они «ищут философский камень», с помощью которого алхимики когда-то хотели превращать чёрные металлы в золото. Они помещают алмазы внутрь ускорителя ионов, чтобы узнать, как изменится их структура. При высоких температурах сплавляют керамические материалы, которые, как считается, обработке вообще не поддаются. Разрабатывают методы изготовления имплантов на основе хрящевых тканей, чтобы они хорошо приживались и не отторгались организмом. В общем, решают вполне практические, а не алхимические задачи. С этой работой познакомил заведующий лабораторией, доцент отделения лазерных и плазменных технологий ИАТЭ НИЯУ МИФИ Евгений Исаев.

…В институте сейчас пусто. Большинство студентов отправили на удалёнку. Здесь можно встретить только дипломников и аспирантов. Они и осуществляют научные разработки, которые удалённо проводить невозможно. В ведении Евгения Игоревича несколько лабораторий. Он познакомил с тремя из них.

Изменение микроструктуры с помощью лазера и плазмы

— Здесь мы изучаем воздействие лазерного и плазменного излучения на керамические материалы, у которых температура плавления достигает 2000 градусов. У нас здесь есть три лазера, небольшой лазерный станок, на котором можно обрабатывать практически любые материалы – начиная от резины и заканчивая металлами, и плазменная установка.

Евгений показал первые результаты этих исследований. На поверхность композиционного пористого материала наносили порошки и с помощью двух лазеров расплавляли, тем самым формируя на поверхности защитное покрытие, которое обладает нулевой пористостью и высокой адгезией – то есть, очень хорошо держится на поверхности.

— В результате на поверхности пористого материала создаётся высокотемпературное покрытие, в котором пористость отсутствует. Фактически получается сплошной слой на поверхности пористого материала. Это актуально, например, для аэрокосмической отрасли. У нас были работы с ОНПП «Технология» в этом направлении. Мы получили неплохие результаты, – говорит Евгений Исаев.

После модификации поверхности образца лазерным излучением с помощью микроскопов изучается, как меняется микроструктура материала после обработки. Таким образом можно изучать процесс воздействия лазерного излучения на материал, а затем варьировать какие-либо параметры облучения с целью добиться необходимых характеристик.

В этой же лаборатории исследуют, как на проводящие ток материалы воздействует плазма. Катушка Тесла создаёт высокочастотные разряды. Если поместить в плазменное поле образец, то на его поверхности тоже будет происходить модификация, и станут возникать различные интересные структуры, имеющие определённые свойства.

Лаборатория интенсивных воздействий на материалы

Здесь располагаются вакуумные установки, в которых можно проводить обработку поверхности материала плазмой в относительно больших объёмах. Но воздействие в данном случае будет не локальное. То есть, можно создать тонкий слой на поверхности, свойства которого будут отличаться от свойств основного материала.

В этой лаборатории находится самодельный станок, собранный         одним из аспирантов. В дальнейшем на его основе будет изготовлена установка, чтобы печатать керамику. В перспективе это будет 3D-станок для печати высокотемпературных керамических материалов. Это так называемые аддитивные технологии. Про 3D-принтеры сейчас многие знают. Но широкое распространение получили принтеры для печати различными полимерными материалами-пластиками, а здесь аспирант пытается собрать установку для печати высокотемпературных материалов.

— Они в принципе тяжело поддаются обработке, с ними работают при температурах от 1500 до 2000 градусов. Это достаточно трудоёмкая задача. К тому же, керамика – не самый удачный материал для печати. Её очень тяжело обрабатывать. Задача здесь стоит такая: расплавить или хотя бы подплавить частицы керамического порошка для того, чтобы они спеклись друг с другом. А затем послойным наплавлением сформировать некое изделие, некую деталь.

Импланты на базе хрящевой ткани

— Недавно мы начали работать с нашими коллегами из МРНЦ. У них есть интересная задача: создавать импланты на основе хрящевой ткани. Они нам предложили заняться работой, которая связана с модификацией поверхностей хрящевых тканей для того, чтобы потом эти хрящи использовать как импланты. И мы сейчас пытаемся эту технологию освоить. Наша задача – подобрать параметры лазерного излучения таким образом, чтобы создать в хрящевой ткани несквозную перфорацию, куда потом будут заселяться клетки. Затем эти клетки, если так можно выразиться, будут пророщены. И впоследствии этот имплант можно будет установить тому человеку или животному, который в нём нуждается. Конечно, до этого ещё далеко, пока мы в начале пути.

Эта технология интересна тем, что импланты будут биологическими, а не синтетическими. Они могут помочь людям, имеющим врождённые дефекты, а также тем, кто получил повреждения в результате травмы. Созданные таким образом импланты будут лучше приживаться, и не будут отторгаться организмом.

Лаборатория структур и свойств

В лаборатории структур и свойств изучают структуру материалов, что они из себя представляют после различных воздействий. Изменения структуры, которые происходят в материалах, изучаются на рентгеновских дифрактометрах. Также дифрактометры задействованы и в образовательном процессе. Студенты узнают, как работает эта установка, учатся как нужно подготовить образец, как его установить и провести съёмку, что получается после того, как сделана съёмка. Они самостоятельно расшифровывают рентгенограммы и изучают таким образом, как изменяется структура материала. Работают они здесь под руководством своих преподавателей. Непосредственно на установках с ионизирующим излучением можно работать, только имея специальный допуск. Эти установки задействованы во всех работах, ведущихся в отделении. Изучение структур материалов – это основное направление, которым занимаются в отделении лазерных и плазменных технологий.

Изменение структуры графитоподобных материалов под воздействием реакторного облучения

Тема диссертации Евгения Исаева далека от лазерных и плазменных технологий. Она была связана с изменением структуры графитоподобных материалов под действием реакторного облучения – нейтронных потоков. Эти работы продолжаются и сейчас. На основе изменения структуры графитоподобных материалов, оказывается, существует возможность достаточно точно измерить температуру внутри ядерных реакторов.

— Мы делаем из высокотемпературных керамических материалов так называемые мониторы температуры. Они помещаются внутри реактора на разной высоте. Какое-то время они облучаются. Затем мы их вынимаем, исследуем, что с ними произошло. И нам удалось связать изменение структуры материала в процессе облучения с температурой, при которой это облучение происходит. Эта задача была нетривиальной. С помощью таких материалов мы научились определять температуру вплоть до 1500 градусов по Цельсию.

Евгений Исаев подключился к этой работе в 2015 году, в 2018-м защитил по этой теме кандидатскую. Экспериментальная часть работы проводится в городе Заречный Свердловской области, на реакторе БН-600. До сих пор определялись температуры на уровне 400-600 градусов Цельсия – это нормальные рабочие температуры реактора. А потом оказалось, что можно определять температуры и повыше. Уже запланированы исследования, при которых будут определяться условия при высокотемпературном облучении — 1500-2000 градусов Цельсия – внутри канала ядерного реактора.

Как пишет научный руководитель Евгения Исаева, доктор физико-математических наук, профессор В.А. Степанов, данное направление его работы появилось в результате острой потребности определять методами рентгеноструктурного анализа условий высокодозного и высокотемпературного внутриканального облучения материаловедческих экспериментальных сборок реактора БН-600. А начинал он свои исследования с выявления особенностей радиационно-индуцированных структурных изменений в оптических плёнках и перестроек примесно-дефектных подсистем в структурных алмазах. Но всё-таки к основным и наиболее важным его результатам следует отнести развитие методов рентгеноструктурного анализа анизотропных структур после интенсивных радиационных воздействий. Эти результаты и послужили основой его диссертационной работы. Она была связана с изменением структуры графитоподобных материалов под действием реакторного облучения – нейтронных потоков. В будущем эти исследования предполагается продолжить.

Е.Ершова