Главная - Научные проекты и гранты - Перспективные минералоподобные материалы для ядерной энергетики: кристаллохимическое моделирование, разработка, синтез, изучение

Перспективные минералоподобные материалы для ядерной энергетики: кристаллохимическое моделирование, разработка, синтез, изучение

11 июня 2018

Руководитель проекта:

Орлова Альбина Ивановна, д.х.н., профессор, профессор кафедры химии твердого тела ННГУ, ведущий научный сотрудник НИФТИ ННГУ — один из ведущих российских и мировых специалистов в области разработки материалов для иммобилизации высокоактивных компонент радиоактивных отходов (ВАО) и трансмутации минор-актинидов, член экспертной группы МАГАТЭ и член координационного совета по радиохимии Российской академии наук.

Структурные подразделения ННГУ – исполнители проекта:

Описание проекта

В настоящее время для иммобилизации ВАО в промышленном масштабе используются хорошо известные и апробированные технологии варки стекла. Однако остеклованные ВАО обладают низкой гидротермальной устойчивостью (устойчивость к подземным водам), особенно после их неизбежной раскристаллизации при длительном хранении под действием внутреннего радиоактивного излучения и радиогенного тепла. Это, в случае возникновения ЧС, может приводить к попаданию в грунтовые воды наиболее опасных компонент ВАО и к радиоактивному заражению окружающей среды.

В связи с этим предлагается принципиально новый подход к решению задачи иммобилиации ВАО – изоляция опасных компонент отходов путем их «включения» на атомном уровне в состав кристаллической решетки новых неорганических минералоподобных материалов (керамик), обладающих высокой структурной и фазовой стабильностью в условиях сверхдлительного воздействия экстремальных факторов различного характера (радиационное облучение, гидротермальные воздействия, температурные воздействия).

Данный способ будет способствовать решению задачи утилизации и безопасного хранения отходов радиохимических производств – высокоактивных отходов от регенерации отработанного ядерного топлива атомных станций, атомных реакторов подводных лодок и научно-исследовательских центров, отходов от производства и переработки оружейного плутония и др.

Для успешного решения поставленной задачи будут разработаны новые материалы и основы новых технологий, которые позволят реализовать данный метод иммобилизации путем создания (1) нового поколения керамических материалов и нанокомпозитов с повышенными характеристиками термической, механической, радиационной и химической стойкости к разрушающим факторам природного и техногенного характера, а также (2) разработки эффективных способов их получения, обеспечивающих экологическую безопасность конечного продукта отверждения при длительном хранении и захоронении.

Долгосрочный эффект от реализации проекта с точки зрения реализации целей и задач отечественной промышленности состоит в том, что, как уже отмечалось выше, отечественные предприятия получат новые уникальные высокоустойчивые материалы, позволяющие им не только обеспечить повышение служебных характеристик уже выпускаемых изделий, но и поставить задачу выпуска новых изделий с уникальными служебными характеристиками, существенно превосходящими лучшие российские и импортные аналоги.

Научной целью проекта является разработка научных основ новых методов получения перспективных керамических минералоподобных материалов с высокими физико-механическими свойствами и служебными характеристиками, а также разработка методов управления структурой и свойствами перспективных многофункциональных керамических материалов со структурами различных природных минералов (коснарит, гранат, лангбейнит, шеелит и др.).

Кристаллическая структура минералов шеелита SrWO4 (а), поллуцита CsAlSi2O6 (б), граната Y2.5Nd0.5Al5O12 (в), монацита Y0.95Gd0.05PO4 (г), коснарита Ca0.25Sr0.25Zr2(PO4)3 (д) и лангбейнита Cs2Mg2(WO4)3 (е). Схема

Практическая актуальность проекта состоит в разработке новых термически-, гидролитически- и радиационно-устойчивых керамик для перспективных приложений в ядерной энергетике — для создания инертных топливных матриц с повышенными служебными характеристиками и новых технологий иммобилизации ВАО и трансмутации минор-актинидов. Отметим, что такие материалы могут быть использованы как конструкционные материалы атомной и космической техники, поскольку мировое развитие атомной энергетики и создание реакторных энергетических установок нового поколения, требуют разработки огнеупорных керамических материалов, сохраняющих функциональные характеристики в жестких условиях эксплуатации (температуры свыше 900 ºС, потоки нейтронов и др.). Разрабатываемые в рамках данного проекта керамики обладают (1) низким и, что самое главное, регулируемым коэффициентом теплового расширения, (2) высокотемпературной устойчивостью, (3) сопротивлением ползучести при высоких температурах, (4) хорошей теплопроводностью, (5) способностью выдерживать мощные потоки нейтронов, (6) низкой эрозией в потоке гелия, (7) устойчивостью в аварийных ситуациях, связанных с проникновением воздуха и/или воды, по всем ключевым характеристикам полностью соответствуют предъявляемым требованиям.

Следует подчеркнуть, что особый спрос на такие материалы имеет место в атомных технологиях при решении проблем обращения с высокоактивными отходами и трансмутации минор-актинидов (МА). В обновленных в 2015 году Руководствах-рекомендациях для стран-участников МАГАТЭ предлагаются для этих целей, в основном, керамические материалы на базе минералоподобных фаз с различными структурами (28 структурных модификаций). Такой подход, по мнению экспертов МАГАТЭ, способствует повышению экологической безопасности при хранении и захоронении радиоактивных отходов, и, следовательно, в целом безопасности атомной энергетики.

Электронно-микроскопическое изображение порошков SrWO4 (слева) и NaNd(WO4)2 (справа) со структурой минерала шеелита. Растровая электронная микроскопия

Проект направлен на решение следующих задач:

  1. Кристаллохимическое моделирование состава и структуры новых минералоподобных соединений различного структурного типа. Получение и характеризация порошков и керамик на основе неорганических соединений оксидного и солевого характера с измененными (улучшенными) свойствами: теплопроводности, теплового расширения, устойчивости в водных системах и солевых расплавах. Рентгеновские и электронно-микроскопические исследования структуры нового типа материалов.
  2. Разработка научных основ новой технологии получения керамических минералоподобных материалов с повышенной химической, термической и радиационной устойчивостью. В основу такого подхода положены базовые принципы физической химии гетерогенных систем, в частности, учения о реакционной способности твердых тел и современные методы кристаллохимического моделирования структуры неорганических соединений. Для практической реализации нового подхода использованы методы коллоидно-химического синтеза нано- и ультрадисперсных порошков и новая технологии спекания керамик — электроимпульсное плазменное спекание (ЭИПС, в иностранной литературе – «Spark Plasma Sintering», SPS).
  3. Изучение структуры новых материалов и механизмов их спекания (в том числе – изучению влияния особой кристаллической структуры новых материалов на кинетику их спекания, особенности протекания различных диффузионно-контролируемых процессов в этих материалах при их спекании и т.д.), изучении влияния начального размера частиц и размера зерна в спеченной керамике на служебные характеристики керамик (особое внимание будет уделено изучению химической (гидролитической) стойкости в водных системах и солевых расплавах).

Графики зависимости усадки и скорости усадки от температуры электроимпульсного плазменного спекания керамики Y2.5Nd0.5Al5O12 (a) и композита YAG-5%MgO (б)

В качестве конкретного приложения рассматривается, в первую очередь, задача создания нового класса минералоподобных материалов для ядерной энергетики – материалов для перспективных инертных топливных матрицы (Inert Matrix Fuel, IMF) для дожигания плутония, трансмутации минорактинидов и накопления продуктов деления с целью последующего захоронения, а также задача создания экологически-устойчивых керамик которые благодаря широкому изоморфизму могут вмещать до 50% присутствующих в ВАО катионов (актиниды, продукты ядерного деления, «технологические» и конструкционные элементы) без существенных кристаллографических изменений, что позволяет прогнозировать и подбирать наиболее подходящие формы отверждения ВАО любых составов и сложности.

Эта конкретная задача является чрезвычайно актуальной как для современной ядерной энергетики, так и для материаловедения в частности. По-нашему мнению, именно разработка новых подходов к обеспечению экологической безопасности операций по утилизации и хранению высокоактивных отходов радиохимических производств за счет их «перевода» в безопасные экологически-устойчивые материалы, является одной из наиболее актуальных задач для современной ядерной энергетики. Решение этой задачи обеспечит существенное снижение потенциального риска радиоактивного загрязнения окружающей среды и радиоактивного воздействия на человека сегодня и в будущем.

Микроструктура керамики SrWO4 со структурой минерала шеелита (слева) и высокотеплопроводящего композита «Иттрий-неодим-алюминиевый гранат – Никель» (YAG:Nd – Ni (справа)), полученных методом ЭИПС. Растровая электронная микроскопия излома

Финансирование проекта

  • грант №14.В37.21.0319 в рамках мероприятия 1.2.2 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы на выполнение НИР «Разработка новой технологии высокоскоростного спекания для создания термо- и радиационно-устойчивых керамик на основе сложных оксидов и фосфатов с d (Ti, Zr, Hf, Th)-, f (лантаниды)-элементами и Cs, для иммобилизации отходов, трансмутации актинидов и конструкционных приложений» (2012-2013 гг.);
  • государственное задание №11.1036.2014/К на выполнение НИР «Новые многофункциональные керамики на основе сложных неорганических соединений солевого и оксидного характера для перспективных приложений в ядерной энергетике и машиностроении» в рамках проектной части государственного задания Министерства образования и науки РФ (2014-2016 гг.);
  • грант РНФ №16-13-10464 на выполнение НИР «Перспективные керамические минералоподобные материалы с улучшенными и регулируемыми служебными характеристиками: разработка, синтез, изучение» (2016-2018 гг.).

Партнеры проекта

  • АО «ВНИИХТ» (г. Москва) — ведущий научно-исследовательский институт Госкорпорации «Росатом» по химическим технологиям.
  • ФГУП «ПО Маяк» (г. Озерск, Челябинской обл.) – одно из основных предприятий ГК «Росатом» по переработке радиоактивных отходов, регенерации отработавшего ядерного топлива реакторов и наработке продукции для ядерного оружейного комплекса РФ.
  • ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (г. Саров, Нижегородская область) – ведущий научно-исследовательский институт Госкорпорации «Росатом» в области ядерной энергетики.
  • Объединенный институт ядерных исследований (г. Дубна) — международная межправительственная организация, один из крупнейших российских и международных научных центров в области ядерной физики.
  • International Agency of Atomic Energy (МАГАТЭ), Vienna, Austria — разработка новых керамических материалов и технологий их получения для переработки радиоактивных отходов ядерного топливного цикла.
  • University Bordeaux, France — исследование возможности использования фосфатных нанопорошков для оптических применений в светодиодных технологиях и медицине.
  • Australian Nuclear Science and Technology Organisation, Австралия — совместные работы по синтезу керамик для иммобилизации радиоактивных отходов высокого уровня активности и их исследование.
  • University Oviedo (Университет Овьедо), Испания — изучение теплового расширения методом высокотемпературной рентгенографии.
  • Institute of Transuranium Elements, Карслруэ, Германия — совместные работы по изучению перспективных минералоподобных материалов.

Основные публикации проекта (за последние 5 лет)

  1. Golovkina L.S., Orlova A.I., Nokhrin A.V., Boldin M.S., Sakharov N.V. Ceramics based on Yttrium Aluminium Garnet Comtaining Nd and Sm obtained by Spark Plasma Sintering // Advance in Ceramic Science and Engineering. 2013, v.2, Iss.4, p.261-265.
  2. Орлова А.И., Канунов А.Е., Самойлов С.Г., Казакова А.Ю., Казанцев Г.Н. Изучение кальцийсодержащих ортофосфатов структурного типа NaZr2(PO4)3 методом высокотемпературной рентгенографии // Кристаллография. 2013, т.58, №2, с.185-190.
  3. Орлова А.И., Хайнаков С.А., Иванова А.С., Волгутов В.Ю., Гарсиа Х.Р. Высокотемпературная рентгенография сложных фосфатов кальция, стронция, бария и циркония семейства NaZr2(PO4)3 // Кристаллография, 2013, т.58, №1, с.64-71.
  4. Орлова А.И., Трошин А.Н., Михайлов Д.А., Чувильдеев В.Н., Болдин М.С., Сахаров Н.В., Нохрин А.В., Скуратов В.А., Кирилкин Н.С. Фосфорсодержащие соединения цезия со структурой поллуцита. Получение высокоплотной керамики и ее радиационные испытания // Радиохимия, 2014, т.56, №1, с.87-92.
  5. Orlova A.I., Volgutov V.Yu., Mikhailov D.A., Bykov D.M., Skuratov V.A., Chuvil’deev V.N., Nokhrin A.V., Boldin M.S., Sakharov V. Phosphate Ca1/4Sr1/4Zr2(PO4)3 of the NaZr2(PO4)3 structure type: synthesis of a dense ceramic material and its radiation testing // Journal of Nuclear Materials, 2014, v.446. iss.1-3, p.232-239.
  6. Orlova M., Perfler L., Tribus M., Salnikov P., Glorieux B., Orlova A. Temperature induced phase transition of CaMn5Zr1.5(PO4)3 phosphate // Journal of Solid State Chemistry, 2015, v.235, p.36-42.
  7. Orlova M., Khainakov S., Michailov D., Perfler L., Langes Ch., Kahlenberg V., Orlova A. Low temperature phase transformation and crystal structure of CsMgPO4 // Journal of Solid State Chemistry, 2015, v.221, p.224-229.
  8. Орлова А.И. Разработка минералоподобных материалов на основе фосфатов и сложных оксидов для иммоболизации ВАО. Кристаллохимическая концепция // Вопросы радиационной безопасности. 2015, №3, с.67-76.
  9. Волгутов В.Ю., Орлова А.И. Тепловое расширение фосфатов со структурой NaZr2(PO4)3, содержащих лантаноиды и цирконий: R0.33Zr2(PO4)3 (R = Nd, Eu, Er) и Er(1-x) 0.33Zr0.25×xZr2(PO4)3 // Кристаллография. 2015, т.60, №5, с.781-793.
  10. Potanina E., Golovkina L., Orlova A., Nokhrin A., Boldin M., Sakharov N. Lanthanide (Nd, Gd) compounds with garnet and monazite Powders synthesis by «wet» chemistry to sintering ceramics by Spark Plasma Sintering // Journal of Nuclear Materials, 2016, v.473, p.93-98.
  11. Канунов А.Е., Асабина Е.А., Орлова А.И. Получение и рентгеноструктурное исследование фосфатосульфатов М2MgTi(SO4)(PO4)2 // Журнал общей химии. 2016, т.86, №1, с.20-27.
  12. Канунов А.Е., Асабина Е.А., Орлова А.И. Получение и рентгеноструктурное исследование новых фосфатосульфатов A2MgTi(SO4)(PO4)2 (А – щелочной металл) // Журнал общей химии. 2016, т.86, №1, с.20-28.
  13. Golovkina L., Orlova A., Boldin M., Sakharov N., Chuvil’deev V., Nokhrin A., Konings R., Staicu D. Development of composite ceramic materials with improved thermal conductivity and plasticity based on garnet-type oxides // Journal of Nuclear Materials, 2017, v.489, p. 158-163.
  14. Kanunov A.E., Orlova A.I. Phosphors Based on Phosphates of NaZr2(PO4)3 and Langbeinite Structural Families // Review Journal of Chemistry, 2018, v.8, No.1, p.1-33.
  15. Potanina E.A., Orlova A.I., Nokhrin A.V., Boldin M.S., Sakharov N.V., Belkin O.A., Chuvil’deev V.N., Tokarev M.G., Shotin S.V., Zelenov A.Yu. Characterization of Nax(Ca/Sr)1-2xNdxWO4 complex tungstates fine-grained ceramics obtained by Spark Plasma Sintering // Ceramics International, 2018, v.44, iss.4, p.4033-4044.
  16. Golovkina L.S., Orlova A.I., Chuvil’deev V.N., Boldin M.S., Lancev E.A., Nokhrin A.V., Sakharov N.V., Zeleon A.Yu. Spark Plasma Sintering of high-density fine-grained Y5Nd0.5Al5O12+SiC composite ceramics // Materials Research Bulletin, 2018, v.103, p.211-215.
  17. Golovkina L.S., Orlova A.I., Nokhrin A.V., Boldin M.S., Chuvil’deev V.N., Sakharov N.V., Belkin O.A., Shotin S.V., Zelenov A.Yu. Spark Plasma Sintering of fine-grain ceramic-metal composites based on garnet-structure oxide Y5Nd0.5Al5O12 for inert matrix fuel // Materials Chemistry and Physics, 2018, v.214, p.516-526.

Ноу-хау и патенты

  • Лабораторный технологический регламент получения нано- и ультрадисперсных порошков и керамик со структурой монацита (приказ ректора ННГУ от 21.01.2016 г. №14-ОД о введении режима коммерческой тайны в отношении ноу-хау (секрета производства)).
  • Лабораторный технологический регламент получения нано- и ультрадисперсных порошков и керамик со структурой флюорита (приказ ректора ННГУ от 21.01.2016 г. №11-ОД о введении режима коммерческой тайны в отношении ноу-хау (секрета производства)).
  • Лабораторный технологический процесс спекания термо- и радиационно-устойчивых керамик на основе сложных оксидов и фосфатов с d (Ti, Zr, Hf, Th)-, f (лантаниды)-элементами и Cs, для иммобилизации отходов и трансмутации актинидов (приказ ректора ННГУ от 15.01.2015 №12-ОД о введении режима коммерческой тайны в отношении ноу-хау (секрета производства)).
  • Бахметьев В.В., Сычев М.М., Орлова А.И., Маланина Н.В., Лебедев Л.А. Способ получения рентгенолюминофора на основе ортофосфата цинка, активированного марганцем. Патент RU 2604619 C1. — Заявка № 2015131878/05 от 30.07.2015 г. Опубл. 10.12.2016 г.
  • Способ очистки от цезия хлоридного расплава на основе эвтектики LiCl-KCl, образующегося в результате переработки ОЯТ РБМ (приказ директора АО «ВНИИХТ» №373 от 28.11.2013 г. о введении режима коммерческой тайны в отношении ноу-хау, разработанного в рамках госконтракта с ГК «Росатом»; права на РИД принадлежат АО «ВНИИХТ» как представителю государственного заказчика).
  • Технология и оборудование для изготовления мишеней, содержащих минорактиниды (приказ директора АО «ВНИИХТ» №344 от 30.11.2012 г. о введении режима коммерческой тайны в отношении ноу-хау, разработанного в рамках госконтракта с ГК «Росатом»; права на РИД принадлежат АО «ВНИИХТ» как представителю государственного заказчика).

СМИ о проекте

К участию в проекте, выполнению курсовых и дипломных работ по тематике проекта, приглашаются бакалавры, магистры и аспиранты физического факультета ННГУ, в первую очередь — студенты и аспиранты кафедры физического материаловедения и кафедры кристаллографии и экспериментальной физики ННГУ.

Контактная информация для студентов: Нохрин А.В., e-mail: nokhrin@nifti.unn.ru

Все новости