НАУКОЕМКОСТЬ НЫНЧЕ В ЦЕНЕ

Сразу три проекта Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН были поддержаны Минобрнауки РФ по итогам конкурса федеральных целевых программ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы». В Уральском регионе таких проектов-победителей всего восемь. Уральские электрохимики создают энергосберегающий способ получения сплавов алюминия со скандием и с бором, разрабатывают новый токоподводящий анодный узел электролизера Содерберга для ОАО «РУСАЛ Красноярск» и создают технологию пироэлектрохимической переработки отработавшего ядерного топлива в замкнутом топливном цикле. В реализации этих проектов заинтересованы такие крупные предприятия, как «ОК РУСАЛ», ГНЦ-НИИ атомных реакторов, ОАО «Газпром», НПЦ магнитной гидродинамики, Красноярский алюминиевый завод, ООО НПФ «Сосны», ОАО «Сверд-НИИхиммаш». Сегодня все они — индустриальные партнеры ИВТЭ.

Незаменимые сплавы
Новые энергосберегающие технологии получения сплавов алюминия со скандием и алюминия с бором, которые разрабатываются в лаборатории электродных процессов ИВТЭ УрО РАН под руководством доктора химических наук профессора Ю.П. Зайкова, будут испытаны на крупномасштабной лабораторной экспериментальной установке уже в 2015 году. Этому предшествовала большая работа, но прежде чем рассказать о ней, несколько слов о ценности алюминиевых сплавов.
Сплавы алюминия со скандием обладают повышенной прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью, что отвечает потребностям высокотехнологичных отраслей — автомобильной и аэрокосмической, роботостроения, однако используются они пока очень ограниченно из-за их высокой стоимости. Сплавы алюминия с бором также отличаются высокой прочностью, а еще хорошей электропроводностью и могут применяться в качестве относительно недорогого легирующего материала и для очистки алюминия от переходных элементов, что повышает его чистоту и улучшает эксплуатационные характеристики. Лигатуры Al-B выпускают лишь несколько предприятий в мире, а в России их вообще не производят.
Ученые ИВТЭ в качестве среды для задания бора или скандия в алюминий используют расплавленные соли. В ходе исследований фазовых равновесий системы «калий-натриевый криолит — оксид скандия» и совместной растворимости оксидов скандия и алюминия в криолитовых расплавах различного состава они подобрали расплавленные среды, в которых процесс получения сплавов алюминия со скандием может проходить при достаточно низких температурах — около 750 0С. Помимо снижения температуры процесса удалось уменьшить перенапряжение электрод-ных реакций, повысить извлечение бора и скандия из их соединений и организовать одностадийный непрерывный процесс, а в конечном итоге — уменьшить энергопотребление и материальные затраты.
Взяв за основу алюмотермический способ получения Al-B лигатур, уральские ученые значительно усовершенствовали его, разработав новые составы расплавленных солей — флюсов, обладающих улучшенной протекторной функцией и эффективной рафинирующей способностью, пониженной плотностью и низкой температурой плавления. В лабораторных условиях уже получена лигатура Al-B с содержанием бора 4 % и с равномерным его распределением. Специалисты ИВТЭ разработали лабораторный технологический регламент и эскизно-конструкторскую документацию на экспериментальную установку для получения сплава Al-B, которая включает печь, магнитогидродинамический вращатель, конвейер и укладчик продукции.
Экспериментальные установки для получения сплавов Al–Sc и Al-B уже изготавливаются и монтируются на производственных площадках индустриальных партнеров ИВТЭ — Научно-производственного центра магнитной гидродинамики (Красноярск) и Красноярского алюминиевого завода (РУСАЛ).

Защита для анодов
Объединенная компания РУСАЛ поставила перед уральскими электрохимиками крайне актуальную для производителей алюминия задачу — снизить энергоемкость процесса без глубокой модернизации действующих электролизеров и существенных капитальных вложений. Сегодня метод электролитического получения алюминия требует огромных энергетических затрат.
Большие энергетические потери возникают в частности при эксплуатации токоподводов — конструкций, через которые ток подводится к электролизной ванне. Срок службы анодных токоподводов электролизных ванн Содерберга в последнее время снизился с 48 месяцев до 24.
Ученые выяснили, что сокращение ресурса анодных токоподводов связано с ростом концентрации серы в углеродсодержащем сырье, применяемом при производстве анодов. Взаимодействие с серой и образование слоя сульфида железа на поверхности стальных токоподводов приводит к снижению их электропроводности и увеличению удельного расхода электроэнергии. К тому же, оксидно-сульфидные продукты коррозии, попадая в ванну, дополнительно загрязняют алюминий.
Сотрудники лаборатории электродных процессов ИВТЭ предложили использовать для защиты стальных токоподводов коррозионностойкое алюминидное покрытие. Расплавы на основе фтористого алюминия с добавками фторидов щелочных металлов хорошо растворяют оксиды металлов. Этим свойством расплавов и воспользовались ученые, разрабатывая технологию нанесения покрытия.
В прошлом году успешно завершился первый этап работ: проведены лабораторные исследования коррозионной стойкости стальных токоподводов с защитным покрытием в условиях, аналогичных условиям их эксплуатации в электролизной ванне. Оказалось, что применение качественного алюминидного покрытия обеспечивает многократное повышение жаростойкости стального токоподвода на воздухе и защиту от серной коррозии. Сейчас идет подготовка к испытаниям уже в промышленных условиях — на электролизерах ОАО «РУСАЛ Красноярск». В рамках проекта будет также спроектирована и изготовлена установка для дистанционного определения коррозионного износа токоподводов на основе 3D-сканирования их геометрических размеров. Она позволит более точно установить эффект от применения экспериментальных токоподводов с защитным покрытием.

Замкнутый
ядерный цикл
В последнее время возрос интерес к исследованию солевых расплавов как перспективных рабочих тел ядерных энергетических установок, сред для переработки природного и техногенного сырья, содержащего редкие и радиоактивные металлы, радионуклиды и другие продукты ядерных реакций. Благодаря своим уникальным свойствам (термической и радиационной стойкости, высоким электро- и теплопроводности) солевые расплавы, особенно фторидные и хлоридные, более предпочтительны для использования в атомной энергетике, чем другие жидкие среды — вода или органические вещества. Они позволяют создавать атомные электростанции с замкнутым ядерным циклом (ЗЯТЦ), когда в топливный контур возвращается обогащенное ядерное горючее и существенно уменьшаются объемы долгоживущих радиоактивных продуктов деления, предназначенных для захоронения.
Технологии пироэлектрохимической переработки отработавшего ядерного топлива с использованием расплавленных солей сотрудники ИВТЭ разрабатывают совместно с Научно-исследовательским институтом атомных реакторов и индустриальными партнерами: ООО НПФ «Сосны» и Свердловским НИИ химического машиностроения. Эти исследования особенно актуальны в связи с созданием и вводом в эксплуатацию реакторов нового поколения типа «БРЕСТ» с нитридным уран-плутониевым топливом, поскольку один из вариантов его комплексной переработки включает пироэлектрохимический передел.
Творческий коллектив включает более десятка высококвалифицированных специалистов и молодых сотрудников лаборатории расплавленных солей ИВТЭ УрО РАН, которые уже получили новые результаты. Так, предложены и испытаны способы синтеза чистых хлоридных электролитов-имитаторов, свободных от примесей кислородсодержащих соединений и воды, которые являются «ядами» при пирохимической переработке ОЯТ. Изучена кинетика взаимодействия нитрида с рабочим расплавленным электролитом, измерены необходимые для технологических расчетов температура ликвидуса, теплоемкость и теплопроводность расплавов, содержащих соединения урана и редкоземельных металлов. Разработана модель процессов пироэлектрохимической переработки отработавшего топлива ядерных энергетических установок в галогенидных расплавах и проведены расчеты тепловых, концентрационных и электрических полей в опытном электролизере, предназначенном для переработки ОЯТ в хлоридном расплаве. Индустриальные партнеры ИВТЭ разработали техническое задание и конструкторскую документацию на изготовление экспериментального образца установки для диагностирования электрохимических процессов в галогенидных расплавах.
Важно, что в ходе реализации проекта ученые ИВТЭ установили прямые деловые контакты с организациями и предприятиями госкорпорации «Росатом». Это позволяет уточнить задачи по пироэлектрохимической переработке ОЯТ и дает надежду, что сложнейшие проблемы, связанные с организацией замкнутого топливного цикла атомных электростанций, совместными усилиями будут решены.

По материалам инновационно-информационного отдела ИВТЭ подготовила
Е. ПОНИЗОВКИНА
На фото: кандидат химических наук Вадим Ковров на участке пробоподготовки