Gemensamma forskningsinsatser av ett team av forskare vid Lobachevsky University of Nizhny Novgorod (UNN) bestående av kemister, fysiker och ingenjörer är för närvarande fokuserade på att lösa problemen med att hantera plutonium och mindre aktinider (MA) som ackumulerats under många år. För detta ändamål, de studerar komposit keramik-keramik (Cer-Cer) och keramik-metall (CerMet) material på basis av mineralliknande föreningar (särskilt, granatmineraler). Forskare vid Lobachevsky-universitetet tror att den optimala lösningen på problemet är att skapa högdensitetskeramiska kompositmatriser för inerta bränslen (IMF) för att bränna plutonium och omvandla mindre aktinider.

Ludmila Golovkina, Chef för UNN Solid State Chemistry Laboratory, konstaterar att tillsammans med alla deras fördelar ur tillämpningssynpunkt inom kärnkraftsteknik, mineralliknande granatbaserad keramik har vissa nackdelar, inklusive deras låga värmeledningsförmåga och låga brottseghet. Låg värmeledningsförmåga kan leda till ytterligare temperaturökning från radiogen värme vilket resulterar i lägre kemisk stabilitet. Låg brottseghet inducerar mikrofrakturering, vilket skapar öppna ytor och minskar keramernas kemiska (hydrolytiska) stabilitet.

"I detta avseende, idén att skapa "keramik-keramik" och "keramik-metall"-kompositer verkar mycket lovande. Med rätt val av komponenter i ett sådant material, den andra fasen (keramisk eller metallisk) skulle kunna ge både en ökning av värmeledningsförmågan och en ökning av brottsegheten, " förklarar Ludmila Golovkina.

Ett team av forskare under ledning av Dr. Albina Orlova, professor vid institutionen för fasta tillståndskemi och huvudforskare vid UNN Physics and Technology Research Institute, har producerat och studerat finkorniga kompositer baserade på Y _2.5 Nd _0,5 Al ₅ O ₁₂ granat med tillsatser inklusive starkt värmeledande metaller (nickel, molybden, volfram) och kiselkarbid med ett lågt neutroninfångningstvärsnitt. För att simulera närvaron av americium och curium i den keramiska sammansättningen, de använde neodym som inkorporerades i granaten av yttrium-aluminium.

Enligt professor Albina Orlova, en ny kemisk och metallurgisk metod utvecklades och användes för att avsätta tunna metallskikt på ytan av syntetiserade submikrongranatpartiklar, medan höghastighetsgnistplasmasintring användes för att sintra de pulverformiga materialen och för att producera keramiken. Det är ett lovande sätt att producera keramik och kompositer genom att värma upp pulver i hög hastighet, skickar högeffekts (upp till 5 000 A) millisekunders DC-pulser och applicerar samtidigt det erforderliga trycket.

Forskarna har studerat i detalj egenskaperna hos höghastighets flerstegssintring av sådana kompositer. Det visades att processen för sintring av kompositer består av två steg:I det första steget, förtätningsprocessen är förknippad med materialets plastiska flöde, och i det andra steget, det uppstår på grund av diffusionen i granatkristallgittret.

Som ett resultat av forskningen gjord av prof. Orlovas team, "granat-metall" och "granat-kiselkarbid" keramiska kompositioner med en hög relativ densitet (92-99 procent av det teoretiska värdet för "granat-metall" och 98 till 99 procent för "granat-SiC" kompositer) erhölls.

"Således, vi kan säkerställa hög hårdhet och brottseghet hos kompositer, såväl som deras höga termofysiska egenskaper, särskilt, värmeledningsförmåga i temperaturområdet nära de temperaturer som dessa material kommer att uppleva när de används i nya snabba neutronreaktorer. Allt annat lika, detta kommer att minska sannolikheten och intensiteten för förstörelse av keramiken i processen för reaktordrift, " säger Albina Orlova.

Resultaten av dessa studier publicerades i tidskrifterna Materialforskningsbulletin (2018, v.103, s. 211-215) och Materialkemi och fysik (2018, v. 214, sid. 516-526).

Nästa steg i detta arbete blir att studera de nya kompositernas strålningsstabilitet och deras motståndskraft mot termisk chock. Således, forskargruppen kommer ännu närmare att utveckla en i grunden ny metod för att producera bränsle för snabba neutronreaktorer och att lösa problemet med immobilisering av högradioaktiva avfallskomponenter genom att på ett säkert sätt isolera dem från biosfären.