Также параллельно разрабатываются новые материалы для иммобилизации радиоактивных отходов

Кристаллическая структура иттрий-алюминиевого г...

Кристаллическая структура иттрий-алюминиевого граната

Объектом совместного исследования ученых НИФТИ, физического и химического факультетов ННГУ являются композиционные материалы керамика-керамика (Cer-Cer) и керамика-металл (Cer-Met) на основе минералоподобных соединений (в частности, минерала граната) для разрешения проблем обращения с запасами плутония и минор актинидов (MA), накопленными за многие годы.

Оптимальным выходом из этой ситуации, по мнению исследователей, является создание высокоплотных керамических композиционных инертных топливных матриц (IMF) для дожигания Pu и трансмутации MA.

По словам ответственного исполнителя по грантам РФФИ и РНФ, руководителя лаборатории химии твердого тела ННГУ Людмилы Головкиной, к основным недостаткам минералоподобных керамик на основе граната, при всех их достоинствах с точки зрения приложений в ядерной энергетике, следует отнести их низкую теплопроводность и малую трещиностойкость. Первый фактор может приводить к дополнительному нагреванию за счет радиогенного тепла и, как следствие, к понижению химической устойчивости. Низкая трещиностойкость керамик способствует появлению микротрещин, приводящих к появлению свободной поверхности и уменьшающих их химическую (гидролитическую) стойкость.

«В связи с этим весьма перспективной представляется идея создания композитов “керамика — керамика» и «керамика — металл”. В таком материале, при правильном выборе компонента, вторая фаза (керамическая или металлическая) могла бы обеспечить и повышение теплопроводности, и повышение трещиностойкости», — отметила Людмила Головкина.

В рамках гранта РНФ №16-13-10464 «Перспективные керамические минералоподобные материалы с улучшенными и регулируемыми служебными характеристиками: разработка, синтеза, изучение» под руководством доктора химических наук, профессора кафедры химии твердого тела и ведущего научного сотрудника НИФТИ ННГУ Альбины Орловой, специалистами отдела физики металлов НИФТИ, кафедры физического материаловедения и кафедры химии твердого тела ННГУ были разработаны и исследованы мелкозернистые композиты на основе граната Y2.5Nd0.5Al5O12 с добавками высокотеплопроводящих металлов (никель, молибден, вольфрам) и карбида кремния, обладающих малым сечением захвата нейтронов. Неодим Nd в составе иттрий-алюминиевого граната моделировал присутствие в состав керамики америция и кюрия.

По мнению профессора Альбины Орловой, для получения порошковых композиций «гранат-металл» учеными был разработан и применен новый химико-металлургический способ нанесения тонких плакирующих слоев металлов на поверхность синтезированных субмикронных частиц граната, а для спекания порошков и получения керамик — использован метод высокоскоростного электроимпульсного плазменного спекания (в иностранной литературе более распространен термин «Spark Plasma Sintering»), один из перспективных способов получения керамик и композитов за счет высокоскоростного нагрева порошков путем пропускания миллисекундных импульсов постоянного тока большой мощности (до 5000 А) с одновременным приложением давления.

«Учеными ННГУ были подробно изучены особенности высокоскоростного многостадийного спекания таких композитов и показано, что процесс спекания композитов имеет двухстадийный характер: на первой стадии процесс уплотнения связан с пластическим течением материала, а на второй стадии — с процессом диффузии в кристаллической решетке граната», — подчеркнула Альбина Орлова.

В результате проведенных исследований группой ученых Университета Лобачевского под руководством профессора Альбины Орловой были получены керамические композиты «гранат — металл» и «гранат — карбид кремния» с высокой относительной плотностью (92-99% от теоретической величины для композитов «гранат-металл» и 98-99% для композитов «гранат — SiC»).

«Это позволило обеспечить высокую твердость и трещиностойкость композитов, а также их высокие теплофизические свойства (теплопроводность в интервале температур, близком к температуре использования этих материалов в новых перспективных реакторах на быстрых нейтронах), что, при прочих равных условиях, позволит снизить вероятность и интенсивность разрушения керамик в процессе работы реактора», — делает заключение научный руководитель Альбина Орлова.

Полученные результаты данных исследований опубликованы в высокорейтинговых зарубежных журналах «Materials Research Bulletin» (2018, v. 103, p.211-215) и в «Materials Chemistry and Physics» (2018, v. 214, p. 516-526).

Наравне с ведущими специалистами НИФТИ и кафедры химии твердого тела ННГУ, самое активное участие в работе приняли магистранты кафедры физического материаловедения ННГУ Евгений Ланцев и Александр Зеленов, которые стали соавторами статей в ведущих зарубежных журналах.

Следующим шагом в развитии данной работы станет изучение радиационной стабильности и стойкости к термоударам новых композитов, которые позволят вплотную подойти к решению задачи разработки принципиально нового способа получения топлива для реакторов на быстрых нейтронах, а также решить задачу иммобилизации высокоактивных компонент радиоактивных отходов путем их надежного изолирования от биосферы.

Схематическое изображение установки для электро...

Схематическое изображение установки для электроимпульсного плазменного спекания керамик: общая схема (a); размещение образца в пресс-форме (b)

Диаграммы спекания мелкозернистых композитов YA...

Диаграммы спекания мелкозернистых композитов YAG-SiC: зависимости усадки (а) и скорости усадки (b) от температуры нагрева