авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

3

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 дея-

(зам. 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 Межву зовских комплексных работ «Инновационные технологии образования», проректор по научной работе МГУПБТ М.Б. Гузаиров – ректор Уфимского государственного авиацион ного технического университета А.В. Белоцерковский – ректор Тверского государственного университета Ю.В. Шленов – президент Российского государственного уни верситета инновационных технологий и пред принимательства С.М. Стажков – первый проректор – проректор по учебной рабо те Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова В.К. Иванов – декан физико-механического факультета СПбГПУ М.М. Радкевич – декан механико-машиностроительного факульте та 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 Рудской А.И.

Проректор по научной и инновационной деятельности, Бабкин А.В.

Директор научно-исследовательского комплекса, Каров Д.Д.

Начальник отдела научно-исследовательской работы студентов, Рудь В.Ю.

Начальник отдела по работе с молодыми учеными Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Повышение качества подготовки специалистов для работы в сфере науки и в наукоемких отраслях промышленности становится первостепен ным в настоящее время, когда перед Россией стоит задача перехода на ин новационный путь развития. Проблемы практического использования на учных знаний, повышения эффективности научных исследований и разра боток выдвигают сегодня инженерную деятельность на передний край всей экономики и современной культуры. Решающим конкурентным фак тором становится исследовательско-инновационная составляющая труда инженера. В процессе подготовки и воспитания профессионалов на пер вый план выступают задачи формирования нового стиля инженерно научного мышления, развития навыков творческого подхода к инженер ным задачам. Эффективным механизмом для реализации требований, предъявляемых к современному инженеру, является переход от учебно образовательного к научно-образовательному процессу: интеграции обра зовательной, научно-исследовательской и проектно-конструкторской дея тельности.

Основы системы научного образования инженеров в СПбГПУ были заложены уже при создании Императорского Петербургского Политехни ческого 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 обра зования. Эти базовые положения и формирование системы научно исследовательской работы студентов как неотъемлемой составляющей учебного процесса, реальная научно-инженерная работа студентов в лабо раториях 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 ра ботников, инженеров-исследователей и конструкторов новой техники.

Предлагаемый доклад суммирует результаты работы ряда структур СПбГПУ по активизации, стимулированию и поддержке научно инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых в рамках Политехнической системы, развитию состязательности, формиро ванию комплекса мер по подготовке специалистов для сферы науки и нау коемких отраслей промышленности, созданию кадрового резерва и закре плению 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 уни верситетах ведущими научными школами генерируются и в ходе образо вательного процесса передаются новые знания. Многими специалистами отмечается, однако, что при наличии огромного отряда тех, кто генерирует знания, у нас отсутствует система, которая позволяет осуществить транс ферт этих знаний в экономику. Прикладные разработки часто не ориенти рованы на коммерческую реализацию, а исследователи далеки от нужд рынка и не склонны мыслить как предприниматели.

При этом реальная ситуация с привлечением молодежи к инноваци онной деятельности оставляет желать лучшего. У молодежи нет понима ния, 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 пре стижа профессии ученого и преподавателя. Уменьшается интерес к полу чению 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 иннова ционного 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 ини циатив и особенно достижений молодежи в сфере технологий и научно промышленных разработок, помощь в планировании и развитии карьеры на рынке труда.

Необходимо совершенствование системы стимулирования творче ской активности и привлечения студентов к работе в научных, проектно конструкторских и других творческих группах, организация масштабных молодежных научных мероприятий с участием представителей всех со ставляющих инновационной системы региона.

В СПбГПУ эти направления за последние годы получили значитель ное развитие: политехническая система подготовки кадров для высокотех нологичных отраслей промышленности и для научно-образовательной сферы была существенно дополнена. Инициирован ряд решений по орга низации, сопровождению и поддержке деятельности студентов, аспиран тов, молодых ученых и специалистов. Среди комплекса мер, направлен ных на повышение качества подготовки специалистов для наукоемких от раслей промышленности необходимо отметить следующие.

1. Информирование научной молодежи об интеграционных процес сах и инновационной системе региона. С этой целью введена практика приглашения представителей науки, промышленности, власти и бизнеса к участию в масштабных молодежных научных мероприятиях, организуе мых 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 между народная 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 оп ределенно 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, аспи рантов и молодых ученых, повысить их мотивацию, поднять престиж тру да 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 Санкт Петербурга и ряда других городов России, зарубежных вузов. Среди авто ров докладов 1929 студентов, в том числе 80 — из других вузов и 258 ас пирантов и соискателей. Общее число участников заседаний, включая сту дентов, аспирантов и преподавателей, составило 5113 человек.

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

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

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

- конкурсы «Студент года по достижениям в научно исследовательской работе», «Аспирант года» и конкурс молодых ученых университета «Молодые таланты — будущее науки политехнического университета» для следующих категорий участников: студенты;

аспиран ты;

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, региональ ных), выигрыш грантов, стипендий российских и международных.

3. Меры по формированию у молодежи навыков подготовки научно технических текстов, расширению объема публикаций результатов ис следований студентов, аспирантов и молодых ученых. В качестве приме ра: по результатам работы XXXVIII-й международной научно практической конференции «Неделя науки СПбГПУ» изданы: сборники материалов докладов по факультетам (21 том);

сборник материалов фа культетов 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 но мер газеты «Политехник», посвященный итогам научно исследовательской и инновационной деятельности студентов и аспирантов университета.

Работы победителей Всероссийского конкурса на лучшую студенче скую научную работу и инновационного конкурса СПбГПУ (п. 2) публи куются в журнале Санкт-Петербургского государственного политехниче ского университета "Научно-технические ведомости СПбГПУ", который издается с 1995 года и с 2002 года входит в Перечень ВАК ведущих рецен зируемых научных журналов и изданий. В настоящее время издается че тыре серии журнала: «Наука и образование», «Физико-математические науки», «Информатика, Телекоммуникации. Управление», «Экономиче ские 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 на правлениям: Энергетика;

Металлургия;

Машиностроение;

Физика;

Эконо мика;

Информатика, Вычислительная техника и Управление;

Радиотехни ка 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 авто ров ведущие ученые РФ, ближнего и дальнего зарубежья.

4. Повышение эффективности обучения аспирантов и докторан тов, помощь диссертантам. С этой целью организована система ежегод ных обучающих семинаров, проведения круглых столов. Аспирантам пер вого года обучения вручается комплект материалов с необходимой ин формацией. Разработан проект Положения об аттестации аспирантов и докторантов, которое повышает ответственность как аспиранта, так и ру ководителя за результаты обучения. Кроме того, разработана система по вышения мотивации обучения аспирантов и докторантов, а также их руко водителей (в том числе материалы для участия в конкурсе «Аспирант го да» (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 сту дентами, аспирантами и молодыми учеными университета на внешние конкурсы. Отдел научно-технической информации СПбГПУ проводит большую работу по предоставлению адресной информации, помощи соис кателям в подготовке и оформлении заявок. В результате увеличилось ко личество 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 соис кание грантов Правительства Санкт-Петербурга, отраслевых конкурсах.

В частности, за последние годы студенты СПбГПУ добились значитель ных успехов в наиболее престижном конкурсе на соискание медалей РАН с премиями для молодых ученых и студентов вузов России за лучшие ди пломные 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 пре мии «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 науч ную работу студентов вузов по естественным, техническим и гуманитар ным наукам за последние 5 лет студенты СПбГПУ получили 95 медалей и 196 дипломов. В неофициальном зачете по итогам конкурсов (числу науч ных 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 научно исследовательских работ студентов вузов в области нанотехнологий и на номатериалов (2009 г.), который проводится в рамках ФЦП "Развитие ин фраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2010 го ды" студентам-политехникам присуждены 7 медалей и 1 диплом.

В конкурсах грантов Правительства Санкт-Петербурга для студен тов, аспирантов, молодых ученых и молодых кандидатов наук за период 2007–2009 гг. гранты выиграл 201 студент СПбГПУ. В этом конкурсе сту денты и аспиранты университета второй год подряд занимают первое ме сто 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 Феде рального агентства по образованию, Федерального агентства по науке и инновациям, Комитета по науке и высшей школе Правительства Санкт Петербурга и других организаций по:

- научно-методическому обеспечению различных аспектов научно исследовательской работы студентов;

- организации и проведению молодежных конгрессных мероприя тий;

- оказанию услуг по организации и сопровождению конкурсов.

Организация и проведение молодежных конгрессных мероприятий:

- Политехнического симпозиума «Молодые ученые — промышлен ности 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 комплек са России на 2007–2012 годы» и конференции-выставки инновационных разработок молодых ученых (2008 г.);

- XIV Санкт-Петербургской Ассамблеи молодых ученых и специа листов;

- Международных молодежных экологических форумов «ЭКОБАЛТИКА».

Оказание организационных услуг:

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

- по сопровождению конкурсов на соискание грантов молодых науч но-педагогических работников вузов и академических институтов, распо ложенных на территории Санкт-Петербурга;

- по сопровождению конкурса для предоставления субсидий по под держке: конгрессной деятельности, научных, научно-популярных, научно образовательных периодических изданий, научных обществ.

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

Политехническая система подготовки научных кадров в полной мере от вечает интересам многих высокотехнологичных предприятий Санкт Петербурга и Северо-Западного Федерального округа. Её эффективность ощутимо проявляется в том вкладе, который молодые специалисты — вы пускники СПбГПУ, многие из которых работают на предприятиях и в ор ганизациях 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 биз нес-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 дого воров на разработку наукоемкой продукции и оказание научно технических услуг российским и зарубежным промышленным предпри ятиям самых разнообразных отраслей.

Приоритеты, последовательность действий и высокие итоговые ре зультаты развития политехнической системы позволяют убедиться в том, что она имеет большое практическое значение в деятельности по повыше нию эффективности подготовки кадров для высокотехнологичных отрас лей промышленности и научно образовательной сферы.

АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И НАНОТЕХНОЛОГИИ Игнатьев М.Б.

Председатель Санкт-Петербургского отделения Российского Пагуошского комитета РАН, директор Международного института кибернетики и артоники при ГУАП, лауреат Государственной премии СССР и премии Президента России;

Яковлев Р.М.

Заведующий лабораторией ФГУП «Радиевый институт им. В.Г. Хлопина»

Основой ядерной бомбы является плутоний или высоко обогащен ный 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 нуж ный материал. Современная атомная энергетика создает его в великом ко личестве. Причем, если запасы военного плутония (это в основном плуто ний-239) росли в год приблизительно на 1 тонну и ограничивались его производством в основном в двух странах (США и СССР), то общее коли чество производимого сейчас в энергетических реакторах плутония со ставляет около 80 тонн в год, а извлекаемого из ОЯТ на комбинатах граж данского 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, мощ ностью 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 произве дено и в других не очень развитых странах. Имея плутоний как запал можно нарастить его до термоядерного устройсва с взрывными мощно стями 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 граждан ского 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.

Таблица Оценки запасов выделенного гражданского плутония в стране, где он хранится, т Выделенный Дата получения Страна Комментарии плутоний данных Включает зарубежный Франция ~80 Конец 1999 г. Pu, который хранится во Франции Великобрита 78,5 31 марта 2000 г.

ния Россия 30 2000 г.

Япония 5,3 Конец 1999 г.

США 1,5 2000 г.

Германия, Бельгия, Другие 11 Конец 1998 г.

Индия К концу 2000 г. об Всего ~206 щие запасы будут превышать 210 т Примечание: Сюда входит плутоний в форме необлученного МОХ топлива.

Как видно из табл., еще в 2000 г произведенного на комбинатах гра жданского 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 со кращения запасов военного плутония и проводимые в США и России ра боты 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 – плуто ния, хотя он именуется гражданским. В последние годы эта тревожная си туация весьма усугубляется. Обусловлено это тем, что при быстро сокра щающихся запасах углеводородов, атомная энергетика опять рассматрива ется, как единственный более чистый, чем уголь, крупномасштабный ис точник энергии. Кроме решения проблемы энергетической безопасности, весьма существенным аргументом в пользу ускоренных темпов развития атомной энергетики является также возможность сильно сократить выбро сы 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 гига ватных атомных станций до конца столетия и более сотни в России.

В 2008 г работал семинар, организованный Международным научно техническим 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 строи тельства до 2030 г реакторов на тепловых нейтронах типа ВВЭР, с под ключением к ним затем быстрых реакторов, типа БН-800. На основе ана лиза растущих потребностей человечества в энергии, особенно в разви вающихся странах, обосновывалась необходимость перехода к атомной энергетике, как единственной альтернативе исчезающим запасам углево дородов. По оценкам МАГАТЭ в течение нескольких следующих десяти летий 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 ус тановленной 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 ре акторах желательно иметь равным 1,6, что обеспечит эффективное само развитие. Переработку облученного ядерного топлива с извлечением плу тония 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 уран плутониевом 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 поли тики, но мы считаем, как и большинство людей вместе с нами, что обеспе чение 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 оче редь, все более растущим и во многом избыточным уровнем потребления, насаждаемым рыночной экономикой прибыли, ибо поддержать этот рас тущий уровень невозможно без увеличения потребления также и энергии.

В связке с желанием как можно больше продать, обеспечивая рост прибы ли, и продать сейчас и поскорее, рост энергопотребления просто необхо дим, При этом игнорируется всё остальное: и ограниченность источников энергии, и их безвозвратная потеря, и опасность экологической катастро фы, 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 обуслов ленная распространением по миру основной составляющей атомной взрывчатки – плутония, и эта опасность усугубляется не только увеличе нием количества атомных станций, но и тем, что практически весь плуто ний оказывается по предлагаемому сценарию ускоренного развития во влеченным в непрерывную многократную переработку. От его непрерыв ной 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 ре акторов и части реакторов, работающих на тепловых нейтронах. Ещё раз отметим, что никакие самые строгие предписания, регламентирующие при переработке ОЯТ использовать только те специально созданные техноло гии, которые исключают наработку отдельно плутония, не смогут воспре пятствовать злоумышленникам извлечь нужный для бомбы плутоний по старой схеме Пурекс-процесса, привлекая нужных специалистов.

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

Мы говорили об этом на предыдущих Пагуошских совещаниях. Бо лее подробно остановимся на этом ещё раз, и давайте, по-настоящему, оп ределим всю опасность ситуации, в которой оказывается человечество и, в первую очередь его цивилизованная часть, развивая энергетику, основан ную 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 ис пользованием плутония, по всей вероятности, будет значительно ниже.

Освободиться от угрозы распространения по миру основной со ставляющей атомного оружия – плутония можно только в варианте развития атомной энергетики по сценарию в котором отсутствует плутоний. Это означает переход от уран-плутониевой к торий урановой энергетике4-6, где делящийся материал, уран нарабатывает Th (n, )233Th 233 ся из тория по схеме: Pa U. Наряду с синте зом урана-233 в уран-ториевом реакторе, сразу по нескольким каналам идет синтез небольших количеств урана-232. Этот изотоп вместе со свои ми дочерними продуктами в уран-ториевом реакторе, характеризуется ин тенсивным жестким гамма-излучением, что полностью исключает воз можность проводить какие либо операции с ураном-233 в легких лабора торных боксах, подобно тому, как оперируют с ураном-235 и плутонием 239. Это гарантирует невозможность использования урана-233, нарабаты ваемого в реакторе, для приготовления ядерных зарядов (даже при уча стии в работах операторов-самоубийц) без предварительного отделения изотопа урана-232, что практически невозможно осуществить. Таким об разом, как исходный материал – торий-232, так и синтезированный мате риал – смесь урана-233 и урана-232 не смогут стать реальными компонен тами ядерного оружия террористов. Запасы тория в десятки раз превыша ют 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 де лать, если будет угроза терроризма! У нас нет ничего в защиту от не го.

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 терро ристами самолетов немного не долетел до атомной станции в Пенсильва нии. Падение тяжелого самолёта на АЭС привело бы ко второму Черно былю 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 организо ванная диверсия, или управляемый снаряд с кумулятивным зарядом. Лю бая 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 огром ного количества радиоактивных продуктов, накопленных в твердотельных топливных элементах (ТВЭЛах) за время работы реактора* (см. примеча ние).

Ситуация, в которой оказалась атомная энергетика, обусловлена ис торией 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 разра ботки оттуда перешли в мирную энергетику атома. Использование такого топлива, которое по энергоёмкости в миллион раз превосходит углеводо родное, обеспечивало несомненное преимущество АПЛ перед дизельны ми. 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 соз данных 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 ак тивной зоне реактора значительно выше. Из-за очень высокой темпера турной 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 стерж ню приводит к локальному перегреву и неотвратимому каскадному по вреждению активной зоны реактора. Большую опасность вызывает необ ходимый для компенсации выгорания топлива в ТВЭЛах избыточный за пас реактивности, который может привести в экстремальных ситуациях к неконтролируемой цепной ядерной реакции. Но и без образования локаль ной критической массы крупная авария, инициированная терактом или непредвиденным событием может привести к катастрофическому выбросу накопленных в ТВЭЛах радиоактивных продуктов при их расплаве и по вреждении корпуса реактора.

При вскрытии активной зоны из расплавленного топлива не по летят 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 топлив ных 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 исполь зование топлива в жидком состоянии, исключает возможность глобально го загрязнения внешней среды, т.е. повторения Чернобыльской катастро фы. 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 возмож ность работать несколько лет подряд без перезарядки на высокообогащен ном уране-235 реакторов для АПЛ. Полезно отметить, что в реакторах на высокообогащенном уране-235 наработка плутония и долгоживущих ак тинидов 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 (обуслов ленный эффективной наработкой урана-233 из тория даже в реакторах на тепловых нейтронах, а также очисткой топлива от части осколоч ных элементов-поглотителей нейтронов в ходе эксплуатации) и высокий отрицательный температурный коэффициент реактивности, что обеспечи вает ядерную безопасность6.

Так как из жидкого топлива такого реактора выводятся и аккумули руются во время работы летучие и газообразные продукты, то в любых си туациях (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 ди версия, 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, обуслов ленная непредвиденными обстоятельствами, для учета которых бессмыс ленны вероятностные оценки, сдерживает после Чернобыля и незавер шённого 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 кор розии 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 ко торых это топливо находилось являются очень большими. Напомним, что каждый год количество ОЯТ, находящегося в ТВЭЛах для реактора элек трической 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, среднеактив ных 150 м3 и низкоактивных более 2000 м3. Особую неприятность в реак торах представляют, кроме плутония, другие минорные актиниды – неп туний, 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 тре буется и их последующей переработки8. Вес осколочных продуктов реак тора тепловой мощностью 300 МВт при кампании 50 лет составит при мерно 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 мощ ности 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 рас плав ЖСР будут периодически добавляться порции тетрафторида тория 232, который при коэффициенте воспроизводства в этих реакторах близ ких к 1, превратившись в уран-233, сгорает, не требуя какой-либо перера ботки ОЯТ с его извлечением из реактора. Эта особенность атомных стан ций делает их практически независимыми от процедур оперативной дос тавки 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 заме ной исчезающим углеводородам? Это определится в первую очередь её гарантированной безопасностью относительно возможности крупномас штабных аварий, а также исключением возможности распространения ос новной составляющей ядерного оружия - плутония. Весьма важным явля ется обеспеченность топливом на долгие годы и сокращение количества ядерных отходов, в первую очередь плутония и других минорных актини дов (нептуния, америция, кюрия).

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

энергии на современном этапе его развития (минимум на тысячу лет), по скольку 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 мате риалы нужны только при запуске реактора;

4 - уменьшить в тысячи раз объёмы ядерных отходов и количество особо опасных кроме изотопов плутония других долгоживущих минор актинидов (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 химиче ских, 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 про грамму за такое короткое время и на незначительные средства возможно только потому, что существует значительный задел. А именно, уже рас смотрено 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 деле ния. На этой конференции нами представлен доклад, в котором показано, как с помощью дистанционного контроля и средств управления обеспе чить полную безопасность работы конкретного варианта запатентованного нами реактора с жидким топливом. В результате исследований будет под готовлено ТЗ на изготовление демонстрационного варианта ЖСР, который может быть спроектирован и построен в последующие 3-4 года. Никаких принципиальных сложностей для создания демонстрационного жидкосо левого 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 ра бот Минатома РФ. О необходимости этого мы говорили на нескольких па гуошских 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 широ кое производство экологически безопасные ядерные реакторные установ ки уран-ториевого топливного цикла на базе реакторов с расплавами солей фторидов выйдет на передовые в мире рубежи высоко конкурентоспособ ных 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 ядер ном 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 ядра ми тория-232 по реакции 232Th (n, ) 233Тh ( ) 233Ра ( ) 233U (в уран плутониевом 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 ре акторе урана-233 с неизбежностью образуются примесные количества урана-232, формирующие мощный фон жесткого -излучения его дочер них продуктов радиоактивного распада.

Торий-урановый цикл может быть реализован в традиционных гете рогенных 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 суще ствуют 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 бесперебой ную 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 ге терогенных 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 нарабатыва ется плутоний и для которых исключается катастрофический выброс ра диоактивных продуктов на большие расстояния, нужно начинать осваи вать 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 подвер гается механическому (расплав интенсивно перемешивается), химическо му 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 воздейст вие приводит к развитию трещиноватости и распуханию графита и, в ко нечном счете, к необходимости остановки реактора и замене кладки. Со гласно предварительным данным процесс деградации графита резко за медляется при введении в него малых добавок фуллеренов или нанотру бок. Причиной подобного эффекта может служить участие фуллеренов а также нанотрубок и их фрагментов в прерывании процесса трещинообра зования и даже в залечивании микротрещин. Для выяснения эффекта до бавления таких наноструктур требуется постановка расчетных и экспери ментальных материаловедческих исследований с вариацией широкого спектра параметров (содержание и тип наноструктур в графите, время воз действия расплава, температура и ее резкие колебания, воздействие неко торых химически высокоактивных элементов и т.д.). Оптимизация этих параметров позволит значительно увеличить время рабочей фазы ЖСР и, соответственно, эффективность эксплуатации реактора, а также сущест венно 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 ка честве сорбента благородных газов и трития обычно используется активи рованный уголь. После десорбции с угля благородные газы переморажи ваются в металлические баллоны, а тритий окисляется в воду. Данные по следних лет показали, что фуллерены обладают уникальной сорбционной способностью по отношению к водороду. Это обстоятельство является ис ключительно 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 рассмот реть обращение с полученными продуктами. Таким образом, нанотехноло гии могут внести существенный вклад в дело реализации торий-уранового топливного цикла в ЖСР-исполнении.

Третий аспект – упрочнение с помощью наноматериалов стенок ем кости, для хранения солевой композиции после использования. Этот ас пект замыкает цикл и создает надежную изоляцию высокоактивной соле вой композиции на сотни лет.

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

Построена уникальная установка по производству фуллерен содержащей сажи. Установка производит объемное испарение порошкообразного графита в низкотемпературной плазме. В зависимости от условий эксплуатации в одной и той же уста новке можно получать фуллеренсодержащую сажу или нанот рубки. Установка использует мощный импульсный источник питания, позволяющий получить короткие импульсы с пере менной скважностью с амплитудой тока более 1000 А.


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

Проведены исследования полученных фуллеренсодержащей сажи с помощью электронного микроскопа с целью выявления графитовых структур являющихся устойчивыми осколками тяжелых фуллеренов.

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 ака демии разработан метод насыщения фуллеренами графитовых материалов различного назначения. В частности были изго товлены по этой технологии и испытаны щетки для электро двигателей. В протоколе испытаний отмечено, что щетки при работе не искрят, имеют вдвое меньшее сопротивление и в 10 раз более длительный срок службы.

В содружестве с ГУАП под научным руководством д.т.н. проф. Игнатьева М.Б. разрабатывается программная сис тема моделирования физико-химических свойств различных наноструктур и композитных материалов созданных на их ос нове (на базе классических методов линейной комбинации атомных орбиталей и лингво-комбинаторного моделирования), с возможностью визуализации процесса и результатов модели рования.

Под научным руководством ведущего специалиста по теории разрушения материалов Дж. Киялбаева создана и совершенст вуется программная система расчета прочностных свойств конструктивных элементов, созданных из новых модифициро ванных наноструктурами материалов в условиях их эксплуата ции при высоких радиационных и высокотемпературных на грузках.

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

значительно повысит радиационную, механическую, темпера турную 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 сущест венно 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 Туричин Г.А.

Декан ФТИМ, Директор Институт лазерных и сварочных технологий, Лопота А.В.

Директор Центр лазерных технологий, Цибульский И.А., Валдайцева Е.М.

Институт лазерных и сварочных технологий Санкт-Петербургский государственный политехнический университет 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 на грева, родилась в конце 1970-х годов [1 - 4]. Были предложены способы сварки, резки, сверления и обработки поверхности, при которых на обра батываемое изделие направляют лазерный луч и одновременно в зоне теп лового воздействия лазерного излучения возбуждают дугу между электро дом 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 метал лами сопровождается возникновением оптического разряда в зоне взаимо действия, что оказывает существенное влияние на параметры сфокусиро ванного луча, долю поглощенной энергии в мишени и плазме в зоне взаи модействия. Существенно по иному происходит взаимодействие с мише нью лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм. Однако мощные ла зерные установки с такой длиной волны отличались низким качеством из лучения и малой надежностью. Только недавно появились технологиче ские твердотельные лазеры мощностью от 10 до 30 кВт непрерывного из лучения, обладающие высоким качеством луча и высокой надежностью.

Такими лазерами являются иттербиевые волоконные лазеры. Твердотель ные лазеры вступают в непосредственную конкуренцию с хорошо зареко мендовавшими себя ранее разработанными CO2 лазерами высокой мощно сти.

В настоящее время в России стоят задачи модернизации и дальней шего развития ключевых отраслей промышленности: авиастроения, судо строения, трубопроводного транспорта, что требует создания оборудова ния и технологий, обеспечивающих сварку металлов больших толщин с минимальными сварочными деформациями, высоким качеством формиро вания сварного шва и обеспечением требуемых механических свойств со единения.

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 элек тронно-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 механи ческих 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 использовани ем вакуумных камер, что крайне затрудняет ее применение. В случае вы вода электронного луча в атмосферу мы сталкиваемся с необходимостью защиты от рентгеновского излучения. Кроме того, применение электрон ного луча требует высокого качества и точности подготовки кромок, что часто невозможно при производстве крупногабаритных конструкций, на пример, таких как трубы большого диаметра.

Главными недостатками лазерной сварки являются высокие требо вания по сборке кромок под сварку и невозможность получения требуе мых механических свойств сварного шва и зоны термического влияния.

Указанные недостатки устраняются с помощью совместного лазерно дугового 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 проволоки.

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 попереч ного сечения;

неблагоприятное направление роста кристаллов;

наличие закалочных структур в зоне глубокого проплавления;

наличие множества газовых пор;

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

Результаты предварительных экспериментов по лазерной и гибрид ной сварке показали, что без дополнительного легирования металла литой зоны шва невозможно достичь требуемых показателей по ударной вязко сти. В ходе выполнения данного проекта легирование осуществлялось за счет присадочной проволоки, в том числе порошковой, расплавляемой электрической дугой. Для обеспечения легирования металла узкой, кин жальной части канала проплавления, планируется использовать возмож ность 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 ла зерно-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 уменьше ния угла наклона кромок разделки.

Разработка систем мониторинга и систем автоматического управления.

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, по зволяющая прогнозировать форму сварного шва в зависимости от задан ных параметров источников энергии и материала. Далее приведён пример моделирования лазерной и гибридной сварки стали AISI 1330. На рис. представлены результаты расчета поперечного сечения зоны проплавле ния и зоны термического влияния при лазерной и лазерно-дуговой сварке.


Кроме того, представлены рассчитанные термические циклы, совмещен ные с анизотермическими диаграммами превращения аустенита, позво ляющие оценивать фазово-структурный состав металла после сварки.

Лазерная сварка, 10 кВт Лазерно-дуговая сварка, 10 kВт + 4 kВт 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 свар ки и тем самым снизить объем экспериментальных работ по проекту.

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

Сравнительные исследования движения жидкого металла на поверх ности сварочной ванны и процесса образования корневых пиков подтвер ждают соответствие между пикообразованием и выплескиванием расплав ленного металла из сварочной ванны. Такие же результаты были получены позднее при рентгеновской съемке [10]. Анализ автоколебательных про цессов при воздействии концентрированных источников энергии на веще ство основывается обычно на линейной теории устойчивости [11, 12] с учетом совместного развития тепловых, гидро- и газодинамических воз мущений, 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 гибрид ной сварки не представляется возможным.

Необходимо отметить, что линейный анализ устойчивости позволяет только определить границы области устойчивых режимов сварки, но не пригоден 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 обыкно венному дифференциальному уравнению, подобное приведенному в [15].

Авторы этой работы рассматривают баланс давлений на поверхности ка нала как движущую силу процесса и используют осевую симметрию мо дельной задачи для редукции уравнений гидродинамики к одному обык новенному дифференциальному уравнению, но данная модель предсказы вает только затухание колебаний. Исследования природы автоколебаний при лазерной сварке продолжаются и в последние годы [16]. Для деталь ного понимания природы динамических процессов, протекающих в сва рочной ванне при сварке с глубоким проплавлением, необходимо иметь динамическую модель сварочного процесса, основанную на физически адекватной 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 по зволяют 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 раз работки динамической модели - это использование вариационных прин ципов 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 сва рочная установка, собранная в ИЛиСТ СПбГПУ на базе исследовательско го лазерного комплекса, приобретенного в рамках инновационной образо вательной программы СПбГПУ.

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

Излучение транспортировалось по волоконному кабелю к оптической сва рочной головке лазерно-дугового модуля. Для фокусировки излучения ис пользовалась сварочная головка YW50 фирмы Precitec с фокусным рас стоянием 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 ре жиме 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 дугово го источника 6500…9000 Вт. Для подачи присадочного материала исполь зовался полуавтомат ПДГО – 511, входящий в комплект дугового модуля.

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

а) б) в) г) Рис. 2. Гибридная лазерно-дуговая сварочная установка:

а - иттербиевый волоконный лазер ЛС-5;

б - гибридная сварочная головка;

в - дуговой источник ВДУ-506ДК;

г – двухко ординатный 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 сме си. 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 сва рочной ванны жидкие пленки, препятствующие проникновению газов (ки слорода и азота) в расплавленный металл.

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

2. Результаты экспериментов Проведенные испытания экспериментального комплекса показали его высокие технологические возможности. При совместном использова нии лазера мощностью до 5 кВт и дугового модуля с плавящимся электро дом 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).

Таблица Режимы сварки Мощ- Пло- Глуби- Кол-во Ре- ность из- Ток Напря- щадь на про- Зазор в на Vсв, Vпп, жим лучения дуги, жение, шва пав- стыке, плавл.

мм/с мм/с № лазера, А В (F), ления мм металла, Вт мм (S), мм % 3 4500 20 0 0 0 7,8 6,65 0 4 4500 14 0 0 0 11,28 7,0 0 7 4500 15 80 22 68,33 13,95 7,05 0,5 29, 8 4500 8,5 80 19 68,33 23,4 8 0,75 31, 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 ин терпретации наблюдаемых явлений были проведены теоретические иссле дования и расчеты.

3. Исследование динамического поведения сварочной ванны при гибридной сварке мощным волоконным лазером Технологические эксперименты по сварке низкоуглеродистых и не ржавеющих 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 рас плава 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, характери зуются различной степенью стабильности формирования шва (см. рис. 4).

а) б) Рис. 4. Формирование шва:

а - без хампинга;

б - с хампингом (справа) 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 яв лений, 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 экспери менты по измерению динамического поведения яркости разрядного про межутка. Для этих целей было использовано исследовательское лабора торное оборудование ЦКП «Лазерные и оптические технологии»

(ЦНИИ РТК, Санкт-Петербург), а именно: специально разработанная сис тема 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) б) Рис. 5. Система «Регистратор»:

а - оптический блок;

б - модуль цифровой обработки Для исключения влияния разогретой поверхности образца использо вались оптические коллиматоры, ограничивающие размер исследуемой зоны таким образом, что поверхность находилась вне поля зрения оптиче ской 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 ха рактеристики которых совпадают со спектром колебаний расплава в сва рочной ванне, и пиков яркости, соответствующих свечению капель элек тродного металла, переносимых через разрядный промежуток.

Рис. 6. Динамика яркости активной зоны 4. Описание динамической модели Для построения динамического описания активной зоны при гиб ридной лазерно-дуговой сварке с глубоким проплавлением на основе ме ханики Лагранжа необходимо, в первую очередь, выбрать обобщенные координаты, временная динамика которых позволит с необходимой точ ностью описать все интересные для приложений процессы, такие как вол новое 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 вни мание влияние вязких сил в расплаве, процессов испарения и давления от дачи 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 ско ростей течения. Сложность задачи приводит к необходимости использова ния геометрии модели и возможных упрощений при выводе уравнений движения с помощью Лагранжева формализма. Положим, что глубина проплавления Ha, где a – радиус парогазового канала, и будем игнори ровать отклонение стенок канала и сварочной ванны от направления оси лазерного луча. Схематически разбиение активной зоны на части для об легчения вычисления кинетической энергии течения расплава и отображе ние активной зоны с помощью конформного отображения представлено на рис. 7.

Рис. 7. Схема деления сварочной ванны и ее конформное отображение, где - область расплава, - граница области расплава, a и А –радиусы образов парогазового канала и канала проплавления, H – глубина парога зового канала, Hp – глубина проплавления,G и g – образы поверхностей канала проплавления и парогазового канала соответственно.

Поскольку диапазон чисел Рейнольдса для типичных режимов ла зерной 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 тече ния удовлетворяющим уравнению Лапласа 0 и граничным услови ям:

f (,t), 0;

n n 1 где функция «f» определяется движением канала, n – нормаль к поверхно сти парогазового канала. Получить аналитическое решение задачи о по тенциальном 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 ко аксиальными 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 ка нала s. Формализм, описанный в [21], позволяет вывести уравнения дина мической модели лазерной и гибридной лазерно-дуговой сварки в виде уравнений Лагранжа:

dL L (1), Qi Ri dt qi qi 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 динамиче ского поведения сварочной ванны при лазерно-дуговой сварке была ис пользована квазистационарная модель процесса ЛДС (рис. 8).

Рис. 8. Интерфейс системы квазистационарного моделирования процесса гибридной сварки Для верификации модели при сварке волоконным лазером была про ведена серия экспериментов по сварке низкоуглеродистой стали на раз личных 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 эксперимен тальных результатов подтвердило применимость модели и высокую точ ность расчетов, обеспечивающую величину относительной ошибки не бо лее 7%.

Рис. 9. Макрошлифы образцов, сваренных при различной скорости сварки и мощности лазерного излучения 4.5 кВт для верификации расчетной модели Рис. 10. Пример сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными Для проведения динамических вычислений система уравнений Ла гранжа была «обрезана» на s2 и полученная система из четырех обычных дифференциальных уравнений второго порядка была решена численно ме тодом Рунге-Кутта. Для проверки разработанной модели была проведена серия численных экспериментов по сварке малоуглеродистой стали в диа пазоне 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 парамет рах: мощность Q = 3 kW, скорость сварки v = 1 см/с, поперечная мода TEM00 и фокальный радиус луча 0,015 см (86% от полной мощности), фо кусное расстояние 20 см. Начальные условия взяты из результатов моде лирования лазерной сварки по стационарной модели [22].

а) б) H s cm 0.8 2 0. cm 0.6 0. 0.4 0. 0.2 0 0.02 0.04 0 0.02 0. t,c t,c Рис. 11. Временное поведение глубины канала (а) и площади поперечного сечения (б) а) б) s1 s 0.004 2 cm cm 0. 0.002 0 0.02 0.04 0 0.02 0. t,c t,c Рис. 12. Временное поведение волн на поверхности канала:

а - первого (s1) и б - второго (s2) порядка 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 парамет рами режима сварки, такими как скорость, мощность излучения, его модо вый состав, параметры фокусировки. Результаты моделирования показы вают, 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 ко лебаний радиуса. Волны первого (s1) и второго (s2) порядка имеют высо кочастотный 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 гид родинамическую стабильность формы канала по сравнению с линейным анализом устойчивости [14].

Рис. 13 иллюстрирует зависимость между динамикой площади попе речного 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 про плавления приводит к сдвигу спектра в направлении меньших частот, что коррелирует с поведением спектров всех обобщенных координат динами ческой модели канала. Изменение скорости сварки, как показано на ри сунке 14, приводит к таким же изменениям спектра акустической эмиссии, так что, по-видимому, определяющее значение здесь имеет глубина кана ла.

а) б) s 0. s 0. cm 0. 0. 0. 0. 0 0 0.1 0. 0 0.1 0. t,c t,c в) г) I, au 0. s2 1 0. 0 5 0. 0.02 0 0.1 0.2 0 0.1 0. t,s t, c 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) б) в) I( f) 1 I( f) 13 I( f) 4 10 2 au au au 13 11 5 2 10 1 0 4 4 0 2000 0 5000 1 10 0 5000 1 f, Hz f, Hz f, Hz Рис. 14. Частотный спектр акустической эмиссии:

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 анали за появления пористости и спайкинга (см. рис. 15).

1ms 2,5 ms 5 ms 7,5 ms 10 ms 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, мощность электрической дуги 2.5 кВт Технологические эксперименты по проплавлению образцов из не ржавеющей 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.

а) б) Рис. 16. Формирование верхней (а) и нижней (б) поверхности сварного шва Также представительны результаты моделирования временного по ведения глубины проплавления и площади поперечного сечения парогазо вого канала (см. рис. 17).

а) б) в) 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 процес са формирования шва при гибридной лазерно-дуговой сварке является эф фективным средством анализа нестационарных процессов и может обос нованно применяться для отбора стабильных технологических режимов.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.