Oprettelse af et nyt kompositbrændstof til næste generations hurtige reaktorer

Fælles forskningsindsats af et team af videnskabsmænd ved Lobachevsky University of Nizhny Novgorod (UNN), bestående af kemikere, fysikere og ingeniører er i øjeblikket fokuseret på at løse problemerne med at håndtere plutonium og mindre aktinider (MA), der er akkumuleret over mange år. Til denne ende, de studerer komposit keramik-keramik (Cer-Cer) og keramik-metal (CerMet) materialer på basis af minerallignende forbindelser (især, granatmineraler). Lobachevsky University-forskere mener, at den optimale løsning på problemet er at skabe high-density keramiske composite inert fuel matricer (IMF) til afbrænding af plutonium og transmutering af mindre actinider.

Ludmila Golovkina, Leder af UNN Solid State Chemistry Laboratory, bemærker, at sammen med alle deres fordele med hensyn til anvendelser inden for atomkraftteknik, minerallignende granatbaseret keramik har nogle ulemper, herunder deres lave varmeledningsevne og lave brudsejhed. Lav varmeledningsevne kan føre til yderligere temperaturstigning fra radiogen varme, hvilket resulterer i lavere kemisk stabilitet. Lav brudsejhed inducerer mikrofrakturering, som skaber åbne overflader og reducerer den kemiske (hydrolytiske) stabilitet af keramik.

"I denne forbindelse ideen om at skabe "keramik-keramik" og "keramik-metal"-kompositter virker meget lovende. Med det rigtige valg af komponenter i et sådant materiale, den anden fase (keramisk eller metallisk) kunne give både en stigning i termisk ledningsevne og en stigning i brudsejhed, " forklarer Ludmila Golovkina.

Et team af forskere under opsyn af Dr. Albina Orlova, professor ved Institut for faststofkemi og ledende forsker ved UNN Physics and Technology Research Institute, har produceret og studeret finkornede kompositter baseret på Y _2.5 Nd _0,5 Al ₅ O ₁₂ granat med tilsætningsstoffer, herunder stærkt varmeledende metaller (nikkel, molybdæn, wolfram) og siliciumcarbid med et lavt neutronfangstværsnit. For at simulere tilstedeværelsen af ​​americium og curium i den keramiske sammensætning, de brugte neodym, der var indarbejdet i granaten af ​​yttrium-aluminium.

Ifølge professor Albina Orlova, en ny kemisk og metallurgisk metode blev udviklet og anvendt til at afsætte tynde metallag på overfladen af ​​syntetiserede submikron granatpartikler, mens højhastigheds-gnistplasmasintring blev brugt til at sintre de pulveriserede materialer og til at fremstille keramikken. Det er en lovende måde at fremstille keramik og kompositter på ved at opvarme pulvere med høj hastighed, sende højeffekt (op til 5000 A) millisekunder DC-impulser og samtidig påføre det nødvendige tryk.

Forskerne har i detaljer studeret funktionerne ved højhastigheds flertrinssintring af sådanne kompositter. Det blev vist, at processen med at sintre kompositter består af to trin:I det første trin, fortætningsprocessen er forbundet med materialets plastiske strømning, og på anden fase, det opstår på grund af diffusionen i granatkrystalgitteret.

Som et resultat af forskningen udført af prof. Orlovas team, "granat-metal" og "granat-siliciumcarbid" keramiske sammensætninger med en høj relativ densitet (92-99 procent af den teoretiske værdi for "granat-metal" og 98 til 99 procent for "granat-SiC" kompositter) blev opnået.

"Dermed, vi kan sikre høj hårdhed og brudsejhed af kompositter, såvel som deres høje termofysiske egenskaber, i særdeleshed, termisk ledningsevne i temperaturområdet tæt på de temperaturer, som disse materialer vil opleve, når de bruges i nye hurtige neutronreaktorer. Alt andet lige, dette vil reducere sandsynligheden og intensiteten for ødelæggelse af keramikken i processen med reaktordrift, " siger Albina Orlova.

Resultaterne af disse undersøgelser blev offentliggjort i tidsskrifterne Materialeforskningsbulletin (2018, v.103, s. 211-215) og Materialekemi og fysik (2018, v. 214, s. 516-526).

Næste skridt i dette arbejde vil være at undersøge de nye kompositters strålingsstabilitet og deres modstandsdygtighed over for termisk chok. Dermed, forskerholdet vil komme endnu tættere på at udvikle en fundamentalt ny metode til fremstilling af brændstof til hurtige neutronreaktorer og på at løse problemet med immobilisering af højradioaktive affaldskomponenter ved at isolere dem sikkert fra biosfæren.