Учёные Университета Лобачевского создают новое композиционное топливо для реакторов нового поколения
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