Uдля ядерного оружия. Длительное время 1943-1984 гг

ИНСТИТУТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ Институт молекулярной физики образован на основе Отделения молекулярной физики Института атомной энергии им. И.В.Курчатова, созданного в начале 1944 года. Основная цель Отделения в момент его создания состояла в решении проблемы разделения изотопов урана и получения изотопа 235U для ядерного оружия. Длительное время (1943-1984 гг.) Отделение, а затем и Институт молекулярной физики, возглавлял научный руководитель этой проблемы академик И.К.Кикоин. На первом этапе промышленное развитие было связано с газодиффузионным методом разделения изотопов урана, и первый газодиффузионный завод был запущен в середине 1949 года. Вслед за ним были сооружены более крупные газодиффузионные заводы на Урале и в Сибири, полностью удовлетворявшие потребности страны в обогащенном уране. Наряду с разработкой и совершенствованием газодиффузионной технологии изучались другие методы разделения изотопов урана. Это, прежде всего, метод газовых центрифуг (центробежный метод), который позволил существенно снизить энергоемкость процесса разделения изотопов урана. Новый подход основывался на концепции подкритической газовой центрифуги с коротким жестким ротором. Пуск первого опытного завода был осуществлен (совместно с Центральным конструкторским бюро машиностроения и Уральским электрохимическим комбинатом) в 1957 году. В настоящее время все разделительные мощности Российской Федерации используют газовые центрифуги. Замена газодиффузионных ступеней на центрифуги привела к радикальному сокращению потребления электроэнергии разделительными заводами (в 20-30 раз). Разделительная промышленность теперь целиком работает на атомную энергетику, обеспечивая ее ядерным топливом и значительно опережая ее потребности. Однако промышленность таких огромных масштабов требует дальнейшего повышения эффективности. С этой целью ученые и инженеры Института молекулярной физики продолжают работу по совершенствованию технологии разделения изотопов урана. В настоящее время их усилия направлены на создание центрифуги ХХI века. Поставлена цель увеличить производительность центрифуги не менее, чем в два раза, по отношению к существующей. Наряду с этой основной задачей ведутся поисковые исследования по альтернативным методам обогащения урана и других изотопов. В стадии технологической разработки находятся работы по лазерному разделению изотопов (ЛРИ) в атомном варианте (метод АВЛИС, программа «Талисман»), на стадии поиска - ЛРИ в молекулярном варианте с применением лазерно-стимулированной фотохимической реакции. Кроме того, обсуждается сооружение пилотной установки по разделению изотопов методом ионно-циклотронного резонанса (метод ИЦР, программа «Мцири»), который представляется перспективным применительно к получению обогащенных изотопов тех стабильных элементов, которые не образуют химических соединений с достаточной упругостью пара при комнатной температуре Центробежная техника открыла возможность масштабного разделения стабильных изотопов. С ее использованием ныне разделяются изотопы десятков элементов периодической системы. Сейчас ведутся исследования по разделению изотопов никеля, хрома, кислорода. Применение выделяемых изотопов приобрело не только научное и медицинское, но также промышленное значение. Традиционно в Институте молекулярной физики существует и множество других научных направлений. Сложившейся здесь школе специалистов, многие из которых воспитаны академиком И.К.Кикоиным, по плечу решение многих научных проблем. Так, изотопное направление привело к развитию химических исследований. Сегодня в этой области работает большой научный коллектив. Разрабатываются и реализуются технологии синтеза многих рабочих веществ, используемых в центрифугах, таких как тетрафторфосфин никеля, хромилфторид, фторокись фосфора, металлоорганика и другие соединения. Тем самым Институт в состоянии комплексно решать задачи разделения изотопов. Химия в ИМФ получила развитие также в связи с работами по ядерному топливному циклу. Сюда относятся исследования по неводному методу регенерации облученного ядерного топлива на основе фторирования. К сожалению, эти обещающие работы были прерваны после аварии на ЧАЭС. Однако они оставили после себя интереснейшие результаты по химии урана, фторидов плутония, благородных газов и т.п. Эти результаты использовались в поисковых исследованиях ядерных реакторов новых типов (с газообразной активной зоной, с активной зоной на расплавах солей), ныне их намечено использовать при изучении отдельных вопросов ликвидации последствий аварии на ЧАЭС, при создании установок для моделирования аварийных ситуаций на АЭС по программе "Безопасность ядерной энергетики". Значительное место в Институте отведено работам, связанным с микроэлектронными технологиями. В рамках программы "Сенсорная диагностика" исследуются принципиально новые методы газового анализа и разрабатываются новые приборы контроля за содержанием различных компонент в технических средах и атмосфере. Развиваются исследования по фильтрации газов и получению особо чистых веществ. Фундаментальные научные направления представлены в Институте рядом программ. Особое место среди них занимают исследования по физике твердого тела (электрофизические свойства полупроводников, эффект Мессбауэра, магнитные явления в антиферромагнетиках, физика оксидов переходных металлов с акцентом на изучение изотопических и магнитных эффектов). В течение 10 лет (начиная с декабря 1987 г.) Институт издавал специализированный отечественный научный журнал "Сверхпроводимость: Физика, Химия, Техника". Исследования по физике магнетизма привели к разработке приборов сверхчувствительной СКВИД-магнитометрии для медицинской диагностики. Среди других программ - "Мюонный катализ и альтернативные методы бридинга", а также теоретические исследования по ядерной физике низких энергий. На фундаментальные направления Институт смотрит не только с точки зрения научного интереса, но и той положительной роли, которую они играют для поддержания научного уровня прикладных экспериментальных работ. Успеху работ в ИМФ всегда способствовала связь с конструкторскими и промышленными предприятиями. И впредь научный коллектив ИМФ будет стремиться к укреплению традиционных связей, а также развитию их по новым научным направлениям, имеющим прикладное значение. ^ РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВВ Отделе развития промышленных методов разделения (ОРПМ) по программе разработки высокопроизводительной и экономически эффективной газовой центрифуги нового поколения, на основании анализа отечественного и мирового опыта и оптимизационных расчетов были сформулированы и обоснованы основные параметры центрифуги, разрабатываемой совместно с ОКБ ГАЗ и СХК. В 2000 году велась подготовка к созданию стендового образца новой центрифуги с длинным ротором. Разработана, изготовлена и испытана опорная пара с высокой нагрузочной способностью, а также новый экономный вариант верхней магнитной опоры. Созданы датчики колебаний ротора, работающие над поверхностью углекомпозита, обладающего хаотической электропроводностью. Освоены новые программы расчета резонансных частот и напряженно-деформированного состояния деталей ротора центрифуги.В области исследований разделения изотопов центробежным методом, ведущихся в Лаборатории стабильных изотопов (ЛСИ) ОРПМ, проводились исследования характеристик регуляторов давления при работе на различных соединениях и возможности их использования в качестве стабилизирующих межступенных устройств для обеспечения устойчивой работы каскада при последовательном соединении центрифуг. Завершены работы по созданию лабораторного каскада центрифуг ("Вега"), предназначенного для работы на газах с малыми молекулярными массами (например СО2), что позволит расширить номенклатуру изотопов, получаемых более экономичным центробежным методом. Исследовалась возможность применения разработанных в ЛСИ нестационарных методов разделения изотопов на каскаде центрифуг для обогащения малораспространённых изотопов теллура в ходе которых были получены опытные партии высокообогащённых (>99.9%) изотопов 120Te, 122Te, 124Te. В исследованиях, проведенных в Лаборатории изотопного разделения (ЛТИР) ОРПМ был отработан процесс получения изотопа теллур-123 высокой чистоты на больших каскадах. Осуществлена апробация нефторидной схемы получения высокообогащенного изотопа кремний-28, позволяющей резко упростить технологию получения изотопных монокристаллов кремния. Были проработаны технологические возможности получения и применения перспективных изотопов, в частности была создана установка и отработана методика определения характеристик рабочего вещества на соединении галлия. Совместно с МИФИ были продолжены расчетно-теоретические исследования по определению работы разделения многокомпонентных изотопных смесей. В рамках модернизации центробежных каскадов Лабораторией технологического контроля (ЛТК) были расширены возможности компьютерной части системы аварийной защиты (АЗ) и технологического контроля (ТК) за счет добавления удаленного терминала. Разработано соответствующее программное обеспечение. Была разработана система АЗ и ТК для стенда «Вега». В 2000 году в ИМФ были завершены в основном строительные работы и начат монтаж технологического оборудования по проекту «Колонна». Данный проект направлен на создание разделительного комплекса для производства высокообогащенного изотопа углерод-13 методом криогенной ректификации. В области исследований по совершенствованию фотохимической технологии разделения изотопов ртути в ОРПМ впервые получен изотоп 200Hg и изотопная смесь, не содержащая данного изотопа. Это позволит получать изотоп ртуть-200 высокого обогащения. Наряду с этими исследованиями был проведен ряд мероприятий, направленных на усовершенствование установки «Фотон», предназначенной для фотохимического разделения изотопов ртути. На основе эффективных сечений фотоионизации урана, полученных в Лаборатории лазерной технологии (ЛЛТ) в 1999 году, сделаны оценки мощности лазеров для АВЛИС урана установок различного уровня. Подытожен опыт работы последних лет и на основе этих данных сформирован облик лазерного разделительного модуля производительностью 106 кг ЕРР/год. На основе опыта установки «Талисман» выполнена оценка себестоимости обогащения урана для АЭС методом АВЛИС. Выдвинуто предложение в 2-3 раза увеличить мощность лазеров и испарительного узла установки «Талисман» и выйти на рубеж производительности 20 г/час при длительности работы до перезагрузки 8-10 часов. Для реализации такого предложения потребуется три года работ и финансирование ~ 3 млн долларов. Создан излучатель лазера на парах меди с диаметром разрядного канала 30 мм. Испытание нового излучателя со старым блоком питания (от лазера с каналом 20 мм) позволило получить выходную мощность лазера лишь в 70 Вт. Эксперименты показали, что для вывода нового излучателя на оптимальный режим работы необходим новый модулятор с выходной мощностью примерно 8кВт. При этом КПД светоотдачи составит 1%. В Лаборатории новых методов разделения (ЛНМР) в 2000 году были проведены эксперименты на установке «Источник», предназначенной для создания потоков металлической плазмы вдоль сильного (до 3 Тл) магнитного поля. Цель работ на установке - испытание различных конструкций плазменного источника для ИЦР - сепаратора. Установка позволяет создавать потоки плазмы как легко испаряемых металлов, так и труднолетучих. В ней используется сверхпроводящий магнит. Запуск магнита осуществлен в текущем году. В экспериментах получены потоки цинковой, свинцовой, медной и гадолиниевой плазм путем ионизации нейтралов в СВЧ разряде (37.5 ГГц, 10 кВт) в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР). Созданный в этих условиях (В  1,34 Тл) поток плазмы проходил через магнитную пробку (Вmax = 3,0 Тл) и регистрировался на противоположном конце установки в поле 0,85 Тл. При создании потока плазмы легколетучих металлов цинка и свинца нейтральные атомы получались путем термического испарения. При уровне подводимой от гиротрона СВЧ мощности Pw  1 кВт плотность плазмы в области максимума магнитного поля достигала 1012 см-3. Эквивалентный ионный ток в плазменных потоках составлял 0,5  1,5 А. При генерации медной и гадолиниевой плазм, для получения нейтральных атомов использовалось катодное распыление мишеней при подаче на них отрицательного потенциала (-0.5  -1.5 кВ). Распыление производилось ионами ксенона, создаваемыми в СВЧ разряде. Кроме того, изучалось распыление меди ионами свинца. Плотность паров меди в зоне разряда составляла (3  8) 1011 см-3. Сделаны оценки доли ионов меди в Xe – Cu и Pb – Cu плазме, а также доли ионов гадолиния в Xe – Gd плазме. Проведены эксперименты по разделению изотопов лития на установке "Сирена" с целью усовершенствования коллекторных систем отбора продукта. В экспериментах применялись коллекторные системы двух типов: с радиальным расположением плоских коллекторных пластин и с цилиндрическими коллекторными пластинами, расположенными концентрически. Получены данные о коэффициентах разделения и извлечения: коэффициент извлечения целевого изотопа составил  = 0.06 при конечной концентрации 6Li 83% (коэффициент разделения (= 60) и 0.15 при концентрации 6Li 62% ( = 20).Закончена разработка технического проекта пилотной ИЦР-установки МЦИРИ, предназначенной для разделения изотопов элементов-металлов вплоть до двухсотых масс. В проект заложено создание крупной сверхпроводящей магнитной системы (B  3,5 Тл). Подготовлено техническое задание на разработку проекта установки "ИЦР-кальций", предназначенной для производства обогащенного кальция в граммовых количествах в сутки (концентрация 48Ca  20%). Предполагается использование в установке "теплой" (не сверхпроводящей) магнитной системы, создающей поле с индукцией до 0.6 Тл. Техническое задание передано в НИИЭФА им. Д.В. Ефремова для разработки технического проекта.^ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Среди работ, которыми занимался Отдел изотопной химии (ОИХ) в 2000 г., основное место занимало изучение физико-химических вопросов замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ). К ЗЯТЦ приковано внимание в связи с наметившимся поворотом в развитии ядерной энергетики, что нашло отражение в “Стратегии развития атомной энергетики России” - документе, выпущенном Минатомом и одобренном Правительством России в мае 2000 г. Ныне доминирующее положение в атомной энергетике занимают реакторы на тепловых нейтронах (ЛВР). Им принадлежит роль генераторов тепловой и электрической энергии, а также плутония для использования в реакторах на быстрых нейтронах (РБН), предназначаемых не только для получения энергии, но и для безграничного обеспечения ядерными топливными ресурсами. Таким образом, одна из задач замыкания топливного цикла связана с рециклом урана и плутония, другая - с извлечением и пережиганием в ядерном цикле энергонасыщенных минорных актинидов - Am, Cm и, наконец, трансмутацией долгоживущих продуктов деления, прежде всего, 129I и 99Tc. Ключевое и наиболее сложное звено многозвенного ЗЯТЦ представляет собой химия переработки облученного топлива. Подходы для решения этой задачи применительно к топливу ЛВР и РБН различны. В цикле ЛВР необходимо разделение урана и плутония, достаточно высокая очистка урана и плутония от продуктов деления; в цикле РБН разделение урана и плутония не допускается и требуемая очистка от продуктов деления имеет не высокий уровень (на 3 - 4 порядка ниже, чем в ЛВР). Здесь особый интерес представляет компактность технологии, т. к. предполагается размещение завода по переработке и атомной станции на одной и той же площадке. Общие требования к переработке топлива обоих типов реакторов включают: применение химически стойкой среды, максимальное снижение объема сбрасываемых радиоактивных отходов, отделение и пережигание минорных актинидов, трансмутацию долгоживущих продуктов деления и др. Для использования в радиохимии переработки предлагаются неводные технологии. Специалистами ОИХ предложена газофторидная технология регенерации топлива ВВЭР с применением фтора. Разработана технологическая схема, в соответствии с которой извлекаемый в процессе фторирования топлива гексафторид урана подвергается дистилляционной очистке; на заводе разделения изотопов корректируется изотопный состав урана для повторного применения в ВВЭР. Плутоний также выделяется в виде гексафторида и после пирогидролиза, в виде двуокиси (PuO2), передается в цикл рефабрикации нитридного топлива реактора “Брест” на быстрых нейтронах. По-видимому, использование плутония может потребоваться также и в легководных реакторах (ВВЭР) для получения МОХ-топлива, состоящего из оксидов урана и плутония (UO2 - PuO2). Для получения МОХ-топлива в упомянутой схеме предусмотрен процесс получения гранул из газовой фазы UF6, PuF6 при гидролизе в псевдоожиженном слое (800 0С). Фрагменты технологии регенерации топлива ЛВР более подробно описаны в докладе, представленный на секции №2 НТС №4 Минатома. Секция отметила, что “газофторидный метод регенерации ОЯТ ЛВР получил значительное развитие; целесообразно осуществить технико-экономические исследования фторидной технологии на базе обновленного ТЗ”. Замыкание ядерного топливного цикла нельзя осуществить без процедуры пережигания минорных актинидов, главным образом Am и Cm, и трансмутации некоторых долгоживущих осколков деления, особенно, технеция-99 и иода-129. В ОИХ совместно с ОКФТИ Института ядерных реакторов была продолжена разработка идеи реактора-“мусорщика” на расплавах солей для сжигания радиоактивных отходов. Совместный доклад по этому вопросу был сделан на совещании в Минатоме в ноябре 2000 г. Для оценки эффективности этого процесса явно не хватает экспериментальных данных по поведению минорных актинидов в расплавах солей, а также некоторых осколков в тепловом и промежуточном спектрах нейтронов. С целью изучения ядерных превращений элементов был разработан эксперимент, получивший свое отражение в проекте “Ампула” (совместно с ИЯР, ООЯФ и ИРТМ). Проект передан в Минатом и ожидает финансовой поддержки. Ампулы намечается заполнить расплавами солей фторидов (NaF - LiF, NaF - KF - ZrF4 и др.), содержащих Am и Cm; для облучения будет использован реактор РНЦ “КИ” ИР-8. Облученное топливо реакторов на быстрых нейтронах (в перспективе “Брест”) требует особого подхода при его регенерации. Здесь не ставится задача отделения урана от плутония и их высокой очистки, весьма важна компактность замкнутого процесса регенерации топлива “Брест”, который должен сосуществовать рядом с атомной станцией, производящей электроэнергию. Для создания такого цикла перспективно использовать методы пирохимии и пирометаллургии. В ОИХ разрабатывается концепция переработки топлива реактора “Брест”. Она находится в состоянии раннего развития и еще не получила достаточного оформления. Определенное место в работе Отдела заняли поисковые исследования по технологии получения чистого циркония (по заданию Чепецкого механического завода). Среди этих работ: исследование высокотемпературной фильтрации газообразного хлорида циркония через никелевые фильтры, конденсация тетрахлорида циркония в системе конденсатора с “тепловым сбросом”, изучение процесса хлорирования минерала циркона в аппаратах с псевдоожиженным слоем. Отчетные материалы по этим вопросам направлены Заказчику. При исследовании высокотемпературной фильтрации ZrCl4 было установлено, что: - многослойные фильтроэлементы на основе никеля устойчивы при температуре до 150 - 160 0C к воздействию паров сухого тетрахлорида циркония, хлористого водорода, хлора и углекислого газа; - наличие влаги приводит к гидролизу тетрахлорида циркония и к появлению хлористого водорода, который в присутствии паров воды реагирует с никелем с образованием NiCl2, однако, со временем скорость коррозии замедляется; - константа скорости газовой коррозии пористого никеля определяется величиной абсолютной влажности и нелинейно зависит от времени коррозии; - измерения сопротивления фильтроэлементов при фильтрации азота с температурой от 12 до 300 0C показали возрастание газодинамического сопротивления P0 при повышении температуры газа. Предложена модель расчета газодинамического сопротивления металлокерамических фильтроэлементов от температуры потока парогазовой смеси ZrCl4, CO2 и Сl2 на основе учета ее вязкости, состава и температуры (“вязкостная” модель); - сопротивление фильтроэлемента во времени при подаче на него аэрозолей ZrCl4 вначале растет линейно, после значительного накопления осадка на фильтре линейность нарушается; - фильтры могут быть регенерированы обратной импульсно-ижекционной отдувкой обеспыленным азотом. При этом их сопротивление отличается не более, чем на 20 - 30 % от начального (до забивки). На лабораторном экспериментальном конденсаторе подтверждены данные по “тепловыму” сбросу конденсированного ZrCl4. Исследован процесс псевдоожижения цирконового концентрата марки КЦП (средний размер частиц 50 и 70 мкм) газообразными аргоном и углекислым газом при комнатной температуре и давлении 1 ата в цилиндрических кварцевых аппаратах диаметром 76 и 112 мм. Диапазон скоростей газа в аппарате составлял 0 - 27 см/сек, высота неподвижного слоя твердой фазы 30 - 185 мм. Наблюдалось кипение цирконового концентрата при высоте неподвижного слоя более 50 мм. При меньшей высоте слоя циркона ожижения не происходит вследствие образования каналов в слое. Выполнены работы в традиционном тематическом направлении Отдела изотопной химии. К ним относятся: - исследования твердых фторионпроводящих электролитов; - методика лазерного определения молекулы DH; - микротехнология получения изотопнообогащенного кремния и силана из тетрафторида кремния и двуокиси кремния; - получение фторида серы S2F10; - отработка новых способов получения изотопной продукции - одностадийный способ получения высокообогащенного металлического 50Cr из хромилфторида и высокообогащеного металлического 113Cd из сульфата кадмия. В 2000 году в ОИХ разрабатывалась демонстрационная установка для получения апирогенной воды путем ее парогазовой очистки на металлокерамических фильтрах с многослойной структурой. Дистиллированная вода может содержать гидрозоли с модальным размером от 0,05 до 0,1 мкм. Гидрозоли столь малого размера могут содержать как неорганические соединения, так и белковые фрагменты бактерий и вирусов, т. е. данная вода не отвечает требованиям фармакопейной статьи на апирогенность. Конденсат паров воды, пропущенный через Ni-фильтр типа МКФС и фильтр из карбида кремния был проанализирован в Испытательной лаборатории НИИ физико-химической медицины МЗ РФ в соответствии с фармакопейной статьей “Вода для инъекций - ФС 42-2620-97”. Результаты анализов, подтвержденные протоколами испытаний на отсутствие содержания в воде механических включений и эндотоксинов (пирогенов), подтвердили пригодность воды для выполнения практически любых инъекций. Разработанный способ получения апирогенной воды после ряда усовершенствований и проведения ресурсных испытаний будет рекомендован для промышленного выпуска и использования в учреждениях Минздрава РФ.^ БЕЗОПАСНОСТЬ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВНОГО ЦИКЛА И ЭКОЛОГИЯ В Отделе физико-химических проблем ядерной энергетики (ОФХПЯЭ) завершен шестилетний цикл экспериментальных работ по международной программе «Расплав» по исследованию взаимодействия расплава материалов активной зоны реактора типа ВВЭР на натурных расплавах и модельных жидкостях. Выпущены итоговые отчеты для заказчиков – странам ОЕСD. Доказана возможность сохранения целостности корпуса реактора в случае расплавления активной зоны при наружном охлаждении корпуса водой для реакторов ВВЭР-400 и западных реакторов ЕРR-600, в то время как для более мощных реакторов типа ВВЭР-1000 таким охлаждением сохранить корпус не удается. Выпущены итоговые отчеты. По завершении программы РАСПЛАВ в июле 2000 года, начата новая международная программа MASCA, являющаяся продолжением работ по программе РАСПЛАВ с новыми граничными условиями. Заказчиками программы также являются страны члены OECD и расчитана она на три года. Как было показано в программе РАСПЛАВ, для реакторов типа ВВЭР-1000 в случае расплавления активной зоны предполагает разрушение корпуса с вытеканием расплава кориума в шахту реактора. Заключен договор с организациями, проектирующими АЭС для Китая и Индии, на проведение экспериментальных работ по исследованию возможности сбора расплава активной зоны под корпусом реактора – программа ЛОВУШКА. Начаты исследования на модернизированных среднемасштабных установках «Корпус-Л» (до 10 кг) по исследованию взаимодействия расплава активной зоны с материалом, заполняющем ловушку, расположенную под активной зоной для хранения и расхолаживания кориума в течение длительного времени. По исследованию свойств расплава кориума с жертвенным материалом ловушки начаты исследования физических свойств расплава (вязкость, плотность, поверхностное натяжение) на маломасштабной установке «Тигель-М».В Лаборатории исследования расплавов солей (ЛИРС) завершен цикл работ по программе РАСПЛАВ – измерение тепло-гидравлических характеристик кориума на модельных жидкостях (расплавах фтористых солей). На базе экспериментальных данных, протестирована созданная в ИБРАЭ (РАН) математическая программа поведения кориума.В ЛИРС начаты работы по разработке новых технологий радиоизотопов для ядерной медицины. Технология связана с выделением осколков деления из неочехленного в твэлы ядерного топлива – в растворных и жидкосолевых реакторах. Получен ряд патентов в России. В обоснование этой технологии нами проведены экспериментальные исследования на водно-растворном реакторе «Аргус» (ИЯР) на примере получения изотопов 99Мо и 89Sr , имеющих большое медицинское значение как для диагностики, так и для лечения онкологических заболеваний. Разработанная технология позволит получать радиоизотопы с гораздо большей производительностью (например, для 89Sr – более, чем в 1000 раз), меньшей себестоимостью и практически без р/а отходов. Заключается соглашение между РНЦ «КИ» и американской фирмой TCI на разработку ядерно-технологического комплекса с этой технологией большей мощности для тиражирования этих установок и производств этих изотопов, как в РФ, так и за рубежом.^ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Работы в области колебательной спектроскопии были, ведущиеся в ОИХ, в основном направлены на детальное изучение аномалий в спектрах ИК-поглощения гидридов элементов VA и VIA групп в газовой фазе и конденсированном состоянии, структуры и устойчивости нежестких молекулярных комплексов хлористого водорода с водой, а также исследованию механизмов гидролиза тетрафторида кремния в области малых концентраций воды. Показано, что в ИК-спектре PH3 в растворе жидкого Ar (Т=95 К) полоса валентных колебаний 1 и 3 обладает суммарной интенсивностью 11910-8 см2молек-1с-1. Эта величина почти в два раза превышает соответствующие экспериментальные значения, полученные для газовой фазы (5810-8 см2молек-1с-1), для жидкой фазы (7210-8 см2молек-1с-1) и растворов PH3 в жидком Kr (Т=130 К) и Xe (Т=180 К) (4410-8 см2молек-1с-1, 4910-8 см2молек-1с-1, соответственно). В то же время величина интегрального коэффициента поглощения 22 PH3 в жидком Ar аномально мала по сравнению с полосами 24, 2+4 и даже 32. Обнаружено, что в отличие от спектров газовой фазы, в ИК-спектрах жидких H2S и H2Se интенсивность полосы деформационного колебания деф становится значительно меньше интенсивности полосы валентных колебаний вал. При переходе газ-жидкость имеет место чрезвычайно большой рост интенсивности полосы вал H2S - более чем в 200 раз (для воды на порядок меньше). Для H2Se переход газ-жидкость сопровождается всего лишь двукратным увеличением интенсивности полосы вал. Совокупность полученных спектроскопических данных для гидридов элементов VA и VIA групп в газовой и конденсированной фазах в широкой области температур позволяет сделать следующие выводы: Среди жидких гидридов элементов VA группы наибольшей склонностью к самоассоциации по механизму образования Н-связей обладает NH3. В PH3 специфические взаимодействия с образованием самоассоциатов с Н-связью существенно слабее, чем в аммиаке. В жидком AsH3, в отличие от NH3 и PH3, при понижении температуры доминируют неспецифические (ван-дер-вааль-совы) взаимодействия. Аномально большая суммарная интенсивность полосы колебаний 1 и 3 PH3 в жидком Ar связана с образованием структурно нежесткого комплекса PH3-Ar. Аномально малая величина интегрального коэффициента поглощения полосы 22 PH3 в жидком Ar обусловлена с тем, что ее интенсивность определяется только вторыми производными по валентным углам. Резкое увеличение интенсивности полосы вал H2S при переходе в жидкость в первую очередь связано с аномальным характером поверхности дипольного момента H2S в газовой фазе (производные дипольного момента убывают не так быстро, как в молекулах-аналогах H2O, H2Se и др.). Это приводит к тому, что в H2S переход газ-жидкость сопровождается резким возрастанием первых производных дипольного момента этой молекулы. ^ Ab initio расчеты структурно нежесткого молекулярного комплекса (H2O)m(HCl)n (n+m2) выполнены с использованием базиса 6-311G** с поляризационными функциями на всех атомах. Полная оптимизация геометрии комплекса проводилась с помощью градиентных методов и метода Ньютона-Рафсона. Определены частоты межмолекулярных и внутримолекулярных колебаний комплекса (H2O)m(HCl)n (n+m2), определены его стабильные конфигурации. Сделан вывод, что устойчивость комплекса (H2O)m(HCl)n существенно ниже устойчивости ранее изученного комплекса (H2O)m(HF)n (n+m2). Проведено исследование структуры, энергии ассоциации, электронного распределения, колебательных частот и ИК-интенсивностей широкого спектра слабосвязанных комплексов тетрафторида кремния с водой, первичных интермедиатов гидролиза типа гидроксопроизводных и фторсилоксанов различного строения. Расчеты проведены неэмпирическим методом с учетом энергии корреляции на уровне MP2 и MP4 и по теории функционала плотности B3LYP в базисах 6-311++G(d,p), 6-311++G(2d,p), 6-311++G(2d,2p) и др. с учетом базисной суперпозиционной погрешности.На основе оптимизированной структуры и рассчитанных колебательных частот оценены энергетические и термодинамические параметры предполагаемых элементарных стадий процессов газофазного гидролиза тетрафторида кремния. Для оценки термодинамических параметров использовались методы G2, G2MP2 и оригинальный метод, учитывающий ангармонизм поверхности потенциальной энергии. Оптимизированы переходные состояния ряда наиболее термодинамически предпочтительных элементарных стадий гидролиза и оценены энергии активации и константы скорости данных процессов. Обнаружено, что на начальных стадиях гидролиза наиболее термодинамически выгодным является процесс образования гексафтордисилоксана SiF3-O-SiF3, в то время как образование гидроксопроизводных менее выгодно. В то же время активационный барьер образования гексафтордисилоксана на 5-9 ккалмоль-1 выше, что может влиять на протекание процесса гидролиза в условиях далеких от термодинамического равновесия. Вывод о возможности образования гидроксопроизводных на начальных стадиях газофазного гидролиза в области малых концентраций воды подтверждается данными Фурье-ИК спектроскопии как газовой фазы, так и разбавленных растворов SiF4 в CCl4 с добавкой H2O, моделирующих условия атмосферного гидролиза тетрафторида кремния. Регистрируемые в этих условиях ИК-полосы колебаний OH-группы хорошо коррелируют с рассчитанными колебательными частотами, а положение и изменение интенсивности колебаний Si-F – с выводами об образовании нескольких фторсодержащих соединений, в том числе гексафтордисилоксана.^ СЕНСОРНАЯ ДИАГНОСТИКА В Отделе исследования материалов и разработки диагностических систем (ОИМРДС) проведены исследования применения технологии изготовления тонких диэлектрических мембран (SiO2-Si3N4) на кремниевой подложке с нанесением на них толстопленочных чувствительных слоев методом трафаретной печати. Полученный сенсор обладает удовлетворительной стабильностью и потребляет мощность около 25 мВт, что на порядок меньше, чем у промышленных сенсоров. Проводилась доработка сенсора, используемого для обнаружения пожаров на начальной стадии возгорания. Работа проводилась совместно со специалистами предприятия «Платан» (Фрязино, Московская обл.), отмечена Золотой медалью на Всемирной выставке инновационных технологий EUROTEKA-2000 (Брюссель, ноябрь 2000 г.).Проведены также предварительные исследования чувствительности к CO сенсора, изготовленного на основе состава SnO2/Pt/Pd в режиме импульсного питания нагревателя с кратковременным нагревом до 4000С и измерением проводимости чувствительного слоя при температуре 800С. Механизм взаимодействия СО с газочувствительным слоем состоит в высокотемпературном окислении палладия и последующем низкотемпературном окислении СО на оксиде палладия. Сенсор имеет удовлетворительные электрофизические характеристики и не чувствителен к парам воды (влажности). Порог чувствительности составляет примерно 2 ppm (ПДК= 16 ppm). Проводится работа по созданию электронного прибора, использующего указанный принцип измерения концентрации СО. Выполнены исследования чувствительности сенсоров к окиси углерода в режиме постоянного питания нагревателя с различными составами газочувствительного слоя: нелегированной SnO2 , SnO2 с добавками 1% и 2% Sb2O5 , 1% Sb2O5 + 3% La2O3 , 3% PdO и 3% PtO. Определён оптимальный диапазон рабочей температуры сенсоров, при которой чувствительность к СО максимальна с наименьшей зависимостью показаний от влажности газовой среды. Сенсоры, прокалиброванные в режиме постоянного нагрева при температуре 500 0С и влажности 40%RH, рекомендуются для регистрации концентрации СО в окружающем воздухе в диапазоне 1 ÷ 6 ПДК (1ПДК = 16 ррм) при влажности окружающего воздуха 10÷100 % RH с погрешностью не более 10 % отн.Проведены поисковые работы по исследованию метрологических характеристик электрохимических сенсоров «Оксик» производства НТК «Кристалл» (г.Санкт-Петербург) и «Лена-сенсор» производства фирмы MST (Германия) в трехкомпонентных газовых смесях азота с водородом и кислородом с целью определения оптимального варианта при использовании их в корпусах транспортных ракет. Работа выполнена в рамках Договора с Институтом Прикладной Геофизики..Выполненные лабораторные исследования чувствительности полупроводниковых газовых сенсоров к метану и водороду, парам этанола, окиси углерода послужили основой для подготовки опытно-промышленного производства сенсоров в ИМФ совместно с ЦНИИТочмаш. В 2000г. изготовлено более 100 опытных образцов сенсоров, которые переданы ряду предприятий и фирм, специализирующихся на разработке и изготовлении приборов газового контроля. Некоторые из них ( НИИ «Волга» - г. Саратов, Институт Медико-биологических проблем, Технический Университет им.Баумана, НПО «Дельта» - г. Москва) после испытаний сенсоров изъявили желание сотрудничать с ИМФ. Предпринимаются определённые усилия для расширения производства (порядка 300 сенсоров в месяц) с целью удовлетворения заявок заказчиков. Проведена подготовка опытно-промышленного производства химических сенсоров метана, паров спирта, водорода, паров углеводородов и окиси углерода в воздухе. Совместно с ЦНИИТочмаш подготовлено производство мощностью примерно 600 сенсоров в месяц. В перспективе на 2001 г. планируется значительно расширить возможности производства. В исследованиях по сенсорной диагностике механическ