La estructura cristalina del granate de itrio-aluminio. Crédito:Universidad Lobachevsky
Esfuerzos de investigación conjuntos de un equipo de científicos de la Universidad Lobachevsky de Nizhny Novgorod (UNN) que comprende químicos, Los físicos e ingenieros están actualmente enfocados en resolver los problemas de manejo de plutonio y actínidos menores (MA) acumulados durante muchos años. Para tal fin, Están estudiando materiales compuestos de cerámica-cerámica (Cer-Cer) y cerámica-metal (CerMet) sobre la base de compuestos de tipo mineral (en particular, minerales de granate). Los investigadores de la Universidad Lobachevsky creen que la solución óptima del problema es crear matrices de combustible inerte (IMF) compuestas de cerámica de alta densidad para quemar plutonio y transmutar actínidos menores.
Ludmila Golovkina, Jefe del Laboratorio de Química de Estado Sólido de la UNN, observa que, junto con todas sus ventajas desde el punto de vista de las aplicaciones en la ingeniería de la energía nuclear, las cerámicas a base de granate de tipo mineral tienen algunos inconvenientes, incluyendo su baja conductividad térmica y baja tenacidad a la fractura. La baja conductividad térmica puede conducir a un aumento adicional de la temperatura debido al calor radiogénico, lo que da como resultado una menor estabilidad química. La baja tenacidad a la fractura induce la microfractura, que crea superficies abiertas y reduce la estabilidad química (hidrolítica) de la cerámica.
"A este respecto, la idea de crear compuestos "cerámica-cerámica" y "cerámica-metal" parece muy prometedora. Con la elección correcta de componentes en dicho material, la segunda fase (cerámica o metálica) podría proporcionar tanto un aumento de la conductividad térmica como un aumento de la tenacidad a la fractura, "Explica Ludmila Golovkina.
Un equipo de investigadores bajo la supervisión de la Dra. Albina Orlova, profesor del Departamento de Química del Estado Sólido e investigador principal del Instituto de Investigación en Física y Tecnología de la UNN, ha producido y estudiado compuestos de grano fino basados en Y 2.5 Dakota del Norte 0,5 Alabama 5 O 12 granate con aditivos que incluyen metales altamente conductores de calor (níquel, molibdeno, tungsteno) y carburo de silicio que tiene una sección transversal de captura de neutrones baja. Para simular la presencia de americio y curio en la composición cerámica, utilizaron neodimio que se incorporó en el granate de itrio-aluminio.
Esquema del aparato de sinterización por plasma de chispa:esquema general (a); Colocación de la muestra en un molde (b). Crédito:Universidad Lobachevsky
Según la profesora Albina Orlova, se desarrolló y aplicó un nuevo método químico y metalúrgico para depositar capas delgadas de metal en la superficie de partículas de granate submicrónicas sintetizadas, mientras que la sinterización por plasma de chispa de alta velocidad se utilizó para sinterizar los materiales en polvo y producir las cerámicas. Es una forma prometedora de producir cerámicas y compuestos calentando polvos a alta velocidad, pasando pulsos de CC de milisegundos de alta potencia (hasta 5000 A) y aplicando simultáneamente la presión requerida.
Los científicos han estudiado en detalle las características de la sinterización multietapa de alta velocidad de dichos compuestos. Se demostró que el proceso de sinterización de composites consta de dos etapas:En la primera etapa, el proceso de densificación está asociado con el flujo plástico del material, y en la segunda etapa, ocurre debido a la difusión en la red cristalina del granate.
Como resultado de la investigación realizada por el equipo del Prof. Orlova, Se obtuvieron composiciones cerámicas de "granate-metal" y "granate-carburo de silicio" con una densidad relativa alta (92-99 por ciento del valor teórico para "granate-metal" y 98 a 99 por ciento para compuestos de "granate-SiC").
Diagramas de sinterización para compuestos YAG-SiC de grano fino:dependencias de la contracción (a) y la tasa de contracción (b) de la temperatura de calentamiento. Crédito:Universidad Lobachevsky
"Por lo tanto, Podemos garantizar una alta dureza y resistencia a la fractura de los compuestos, así como sus elevadas propiedades termofísicas, en particular, conductividad térmica en un rango de temperatura cercano a las temperaturas que estos materiales experimentarán cuando se utilicen en nuevos reactores de neutrones rápidos. Todas las demás cosas en igualdad de condiciones, esto reducirá la probabilidad e intensidad de destrucción de la cerámica en el proceso de operación del reactor, "Dice Albina Orlova.
Los resultados de estos estudios se publicaron en las revistas Boletín de investigación de materiales (2018, v.103, p.211-215) y Materiales Química y Física (2018, v. 214, pag. 516-526).
El siguiente paso de este trabajo será estudiar la estabilidad a la radiación de los nuevos compuestos y su resistencia al choque térmico. Por lo tanto, el equipo de investigación se acercará aún más al desarrollo de un método fundamentalmente nuevo para producir combustible para reactores de neutrones rápidos y a resolver el problema de la inmovilización de componentes de desechos altamente radiactivos aislándolos de forma segura de la biosfera.
