Исследователи применили способ получения композиционных материалов керамика-керамика и керамика-металл на основе минералоподобных соединений (в частности, граната). Такие соединения пригодятся для решения проблем с запасами плутония и иных трансурановых элементов (МА, minor actinides), накопленных за многие годы. Оптимальным выходом из этой ситуации, по мнению исследователей, будет создание высокоплотных керамических композиционных инертных топливных матриц (IMF) для дожигания плутония и трансмутации MA. По результатам авторы опубликовали две статьи: в Materials Research Bulletin и Materials Chemistry and Physics.
К основным недостаткам минералоподобных керамических материалов на основе граната, при всех их достоинствах с точки зрения использования в ядерной энергетике, относятся их низкая теплопроводность и малая трещиностойкость. Первый фактор может приводить к дополнительному нагреванию за счет радиогенного тепла и, как следствие, к понижению химической устойчивости. Низкая трещиностойкость керамик способствует появлению микротрещин, которые также уменьшают химическую стойкость материалов.
«В связи с этим весьма перспективной представляется идея создания композитов "керамика — керамика" и "керамика — металл", — говорит соавтор работы Людмила Головкина из Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского. — В таком материале, при правильном выборе компонента, вторая фаза (керамическая или металлическая) могла бы обеспечить и повышение теплопроводности, и повышение трещиностойкости».
Под руководством доктора химических наук Альбины Орловой из ННГУ были разработаны и исследованы мелкозернистые композиты на основе граната Y2.5Nd0.5Al5O12 с добавками высокотеплопроводящих металлов (никель, молибден, вольфрам) и карбида кремния, обладающих малым сечением захвата нейтронов. Неодим в составе иттрий-алюминиевого граната моделировал присутствие в составе керамики америция и кюрия.
Для того, чтобы получить порошковые композиции «гранат—металл», ученые разработали и применили новый способ нанесения тонких слоев металлов на поверхность синтезированных субмикронных частиц граната. Для спекания порошков и получения керамик использовался метод высокоскоростного электроимпульсного плазменного спекания — один из перспективных способов получения керамик и композитов. В ходе этого метода порошки спекаются с высокой скоростью за счет того, что через них пропускают мощные миллисекундные импульсы постоянного тока (до 5000 ампер), одновременно прилагая к ним высокое давление.
В результате ученые получили керамические композиты «гранат — металл» и «гранат — карбид кремния» с высокой относительной плотностью, составляющей 92-99% от теоретической величины для композитов «гранат-металл» и 98-99% для композитов «гранат — SiC».
«Это позволило обеспечить высокую твердость и трещиностойкость композитов, а также их высокие теплофизические свойства (теплопроводность в интервале температур, близком к температуре использования этих материалов в новых перспективных реакторах на быстрых нейтронах), что, при прочих равных условиях, позволит снизить вероятность и интенсивность разрушения керамик в процессе работы реактора», — резюмирует Орлова.
Следующим шагом в развитии этой работы станет изучение радиационной стабильности и стойкости к термоударам новых композитов, которые позволят вплотную подойти к решению задачи разработки принципиально нового способа получения топлива для реакторов на быстрых нейтронах, а также решить задачу иммобилизации высокоактивных компонент радиоактивных отходов путем их надежного изолирования от биосферы.