Главная - Новости - Учёные Университета Лобачевского создают новое композиционное топливо для реакторов нового поколения

Учёные Университета Лобачевского создают новое композиционное топливо для реакторов нового поколения

21 июня 2018

Объектом совместного исследования ученых НИФТИ ННГУ, 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 решения проблемы обращения с запасами плутония и минор актинидов (MA), накопленными за многие годы. Оптимальным выходом из этой ситуации, по мнению специалистов ННГУ, является создание высокоплотных керамических композиционных инертных топливных матриц (IMF) для дожигания Pu и трансмутации MA.

По словам Людмилы Головкиной, младшего научного сотрудника НИФТИ ННГУ и ассистента кафедры физического материаловедения ННГУ, 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 компонент, вторая фаза (керамическая или металлическая) могла бы обеспечить и повышение теплопроводности, и повышение трещиностойкости.

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 Орловой Альбины Ивановны, специалистами Отдела Физики металлов НИФТИ ННГУ, кафедры физического материаловедения ННГУ 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.


Кристаллическая структура иттрий-алюминиевого граната

 

Для получения порошковых композиций «гранат-металл» учеными ННГУ 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 – был 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 пропуская миллисекундных импульсов постоянного тока большой мощности (до 5000 А) с одновременным приложением давления.

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

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

Микроструктура керамики из чистого иттрий-алюминиевого граната композита YAG-10%Ni (a) и композита YAG-20%Ni (b). Растровая электронная микроскопия изломов

 

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.

В результате проведенных исследований молодыми специалистами НИФТИ ННГУ под руководством профессора А.И. 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.

Результаты исследований ученых ННГУ опубликованы в высокорейтинговых зарубежных журналах «Journal of Nuclear Materials» (2017, v.489, p.158-163), «Materials Research Bulletin» (2018, v.103, p.211-215) и в «Materials Chemistry and Physics» (2018, v. 214, p. 516-526).

Отметим, что наравне с ведущими специалистами НИФТИ ННГУ и кафедры химии твердого тела, самое активное участие в работе приняли магистранты кафедры физического материаловедения ННГУ (Ланцев Евгений, Зеленов Александр), 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.

По окончанию данного цикла испытаний ключевые технологические решения, связанные с выбором оптимальных режимов получения новых композиционных керамических материалов, будут защищены патентом РФ, заявку на который специалисты НИФТИ ННГУ планируют подать в самое ближайшее время.

 

Истоник: Индикатор.ру
Источник: http://www.unn.ru/site/about/news/uchjonye-universiteta-lobachevskogo-sozdayut-novoe-kompozitsionnoe-toplivo-dlya-reaktorov-novogo-pokoleniya

Все новости