Современные технологии требуют новых материалов, все более усовершенствованных, мультифункциональных, с теми или иными ярко выраженными свойствами. Специалисты Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (ИХТТМ СО РАН) совместно с Институтом ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) занимаются разработкой технологии создания высокотемпературных композиционных материалов из боридов вольфрама и молибдена для атомной энергетики, а именно для контейнеров, транспортирующих радиоактивные отходы.
Задача исследователей – создание материала, который одновременно будет ослаблять гамма- и нейтронное излучения, выдерживать высокие температуры и обладать достаточными прочностными характеристиками. Полученные образцы материала можно наносить на поверхность по принципу краскопульта, напыляющего краску. Результаты опубликованы в Известиях РАН.
Сегодня многим отраслям промышленности, наукоемким производствам требуются материалы, обладающие новыми качественными характеристиками, комбинирующие в себе несколько свойств – повышенную прочность, высокую теплопроводность, термостойкость и др. Именно поэтому развитию технологий создания новых материалов уделяется повышенное внимание. Композиционные, полимерные, наноуглеродные материалы и керамика с высокими качественными характеристиками могут дать сильный импульс развития промышленности, медицины, сфере информационных технологий и многим другим областям, напрямую влияющим на качество жизни человека.
Например, в атомной энергетике в связи с увеличением количества радиоактивных отходов, которые образуются в результате переработки отработанного ядерного топлива, остро встала проблема модернизации контейнеров для их транспортировки и хранения. Защитное покрытие контейнеров должно ослаблять поток гамма- и нейтронного излучений, при этом выдерживать высокие температуры и обладать высокими прочностными характеристиками. Атомной промышленности необходимы материалы, которые соединяли бы в себе лучшие свойства металлов и самых тугоплавких соединений – оксидов, карбидов, боридов.
Над этой задачей работают специалисты ИХТТМ СО РАН и ИЯФ СО РАН. В их арсенале – аддитивные технологии и специализированный источник электронного пучка.
«Материал защитного покрытия должен ослаблять поток альфа-, бета-, гамма- и нейтронного излучений. Для этой цели хорошо подходят бориды тяжелых металлов, например, вольфрама – рассказывает научный сотрудник ИХТТМ СО РАН, кандидат химических наук Алексей Анчаров. – Атомы металла поглощают альфа-, бета- и гамма-излучения, а атомы бора – нейтроны. Кроме этих свойств, бориды обладают высокой температурой плавления и высокой твердостью. Задача нашего исследования состояла в том, чтобы научиться комбинировать необходимые свойства в одном материале. Аддитивные технологии здесь очень подходят – они позволяют наращивать слои материалов с различными концентрациями, или добавлять новые слои с другими компонентами и обеспечивать градиент физико-химических характеристик по толщине образца».
Для предварительной подготовки образцов специалисты использовали метод механоактивации. В шаровой мельнице – специальном устройстве для смешивания и измельчения твердых веществ до микроразмеров – вольфрам и нитрид бора «вбиваются» друг в друга. Под электронным микроскопом получившийся механокомпозит выглядит как «слоеный пирог». Далее его исследуют в Сибирском центре синхротронного и терагерцового излучения ИЯФ СО РАН на экспериментальной станции «Дифрактометрия в жестком рентгеновском диапазоне» при помощи синхротронного излучения, генерируемого ускорителем ВЭПП-3. Третий, завершающий, этап приготовления – нагревание смеси и запуск химических реакций направленным пучком электронов на специализированном источнике электронного пучка в ИЯФ СО РАН.
«Источник электронного пучка ИЯФ СО РАН разработан и изготовлен специально для электронно-лучевых технологий. Он обладает редкими параметрами: энергией 60 киловольт при непрерывной мощности до 30 киловатт, – рассказывает научный сотрудник ИЯФ СО РАН Юрий Семенов. – При фокусировке электронного пучка меньше одного миллиметра в диаметре, мы получаем мощность около100 киловатт на квадратный миллиметр. Мощность преобразуется в тепло в обрабатываемом слое толщиной десяток микрометров, где температура может достигать отметки 6000 °C и выше. Такие характеристики позволяют нам плавить самые тугоплавкие материалы. Но самая важная особенность нашей установки в том, что электронный пучок направляется на обрабатываемую поверхность не прямолинейно, а с поворотом на 270 градусов. Такое решение позволяет нам защитить катод и высоковольтную область электронной пушки от паров и мелких капель от обрабатываемого материала. Данная технология запатентована нами в России».
Специалисты отметили, что им удалось достаточно просто и с малыми энергозатратами получить композиты из разных боридов, управлять процессом синтеза. В будущем, меняя соотношение состава (стехиометрию), можно регулировать ослабление того или иного вида излучения. Композиционные материалы, где в составе больше вольфрама, будут лучше поглощать гамма-излучение, где больше бора – нейтронное излучение.
Алексей Анчаров также отметил, что разрабатываемая технология позволит делать как большие, так и маленькие детали, причем любой формы. Более того, если оборудовать электронную пушку специальным соплом, из которого выдувается порошок, то попадая в зону нагрева, он будет наплавляться на поверхность. Технология наплавления схожа с принципом работы краскопульта: защитный слой просто напыляется на уже существующее изделие, например, стенки контейнеров для перевозки и хранения радиоактивных отходов.