Gezamenlijke onderzoeksinspanningen van een team van wetenschappers aan de Lobachevsky Universiteit van Nizhny Novgorod (UNN), bestaande uit chemici, natuurkundigen en ingenieurs zijn momenteel gericht op het oplossen van de problemen van het omgaan met plutonium en kleine actiniden (MA) die zich gedurende vele jaren hebben opgehoopt. Hiertoe, ze bestuderen composiet keramiek-keramiek (Cer-Cer) en keramiek-metaal (CerMet) materialen op basis van mineraalachtige verbindingen (met name granaatmineralen). Lobachevsky University-onderzoekers zijn van mening dat de optimale oplossing van het probleem is om keramische composiet-inerte-brandstofmatrices (IMF) met hoge dichtheid te creëren voor het verbranden van plutonium en het transmuteren van minder belangrijke actiniden.

Ludmila Golovkina, hoofd van het UNN Solid State Chemistry Laboratory, merkt op dat, naast al hun voordelen vanuit het oogpunt van toepassingen in de kernenergietechniek, mineraalachtige keramiek op basis van granaat heeft enkele nadelen, inclusief hun lage thermische geleidbaarheid en lage breuktaaiheid. Een lage thermische geleidbaarheid kan leiden tot extra temperatuurstijging door radiogene warmte, wat resulteert in een lagere chemische stabiliteit. Lage breuktaaiheid induceert microfracturering, die open oppervlakken creëert en de chemische (hydrolytische) stabiliteit van keramiek vermindert.

"In dit verband, het idee om "keramiek-keramiek" en "keramiek-metaal" composieten te creëren lijkt veelbelovend. Met de juiste keuze van componenten in een dergelijk materiaal, de tweede fase (keramiek of metaal) kan zowel een verhoging van de thermische geleidbaarheid als een verhoging van de breuktaaiheid opleveren, " legt Ludmila Golovkina uit.

Een team van onderzoekers onder supervisie van Dr. Albina Orlova, professor van de afdeling Solid State Chemistry en hoofdonderzoeker van het UNN Physics and Technology Research Institute, heeft fijnkorrelige composieten geproduceerd en bestudeerd op basis van Y _2,5 Nd _0,5 Al ₅ O ₁₂ granaat met additieven waaronder zeer warmtegeleidende metalen (nikkel, molybdeen, wolfraam) en siliciumcarbide met een lage neutronenvangstdwarsdoorsnede. Om de aanwezigheid van americium en curium in de keramische samenstelling te simuleren, ze gebruikten neodymium dat was verwerkt in de yttrium-aluminium-granaat.

Volgens professor Albina Orlova, een nieuwe chemische en metallurgische methode werd ontwikkeld en toegepast om dunne metaallagen op het oppervlak van gesynthetiseerde submicron-granaatdeeltjes af te zetten, terwijl high-speed vonk plasma sinteren werd gebruikt om de poedervormige materialen te sinteren en de keramiek te produceren. Het is een veelbelovende manier om keramiek en composieten te produceren door poeders in een hoog tempo te verhitten, het doorgeven van high-power (tot 5000 A) milliseconde DC-pulsen en het gelijktijdig toepassen van de vereiste druk.

De wetenschappers hebben in detail de kenmerken bestudeerd van het op hoge snelheid meertraps sinteren van dergelijke composieten. Er werd aangetoond dat het proces van het sinteren van composieten uit twee fasen bestaat:in de eerste fase, het verdichtingsproces wordt geassocieerd met de plastische stroom van het materiaal, en in de tweede fase, het treedt op vanwege de diffusie in het granaatkristalrooster.

Als resultaat van het onderzoek van het team van Prof. Orlova, "granaat-metaal" en "granaat-siliciumcarbide" keramische samenstellingen met een hoge relatieve dichtheid (92-99 procent van de theoretische waarde voor "granaat-metaal" en 98 tot 99 procent voor "granaat-SiC" composieten) werden verkregen.

"Dus, we kunnen zorgen voor een hoge hardheid en breuktaaiheid van composieten, evenals hun hoge thermofysische eigenschappen, vooral, thermische geleidbaarheid in het temperatuurbereik dicht bij de temperaturen die deze materialen zullen ervaren bij gebruik in nieuwe snelle neutronenreactoren. Als alle andere dingen gelijk zijn, dit zal de waarschijnlijkheid en intensiteit van vernietiging van het keramiek tijdens het reactorproces verminderen, ' zegt Albina Orlova.

De resultaten van deze onderzoeken zijn gepubliceerd in de tijdschriften Bulletin voor materiaalonderzoek (2018, v.103, p.211-215) en Materiaalchemie en natuurkunde (2018, v. 214, P. 516-526).

De volgende stap in dit werk is het bestuderen van de stralingsstabiliteit van de nieuwe composieten en hun weerstand tegen thermische schokken. Dus, het onderzoeksteam zal nog dichter bij de ontwikkeling van een fundamenteel nieuwe methode komen om brandstof voor snelle neutronenreactoren te produceren en om het probleem van immobilisatie van hoogradioactieve afvalcomponenten op te lossen door ze veilig te isoleren van de biosfeer.