Sforzi di ricerca congiunti di un team di scienziati dell'Università Lobachevsky di Nizhny Novgorod (UNN) composto da chimici, fisici e ingegneri sono attualmente concentrati sulla risoluzione dei problemi di manipolazione del plutonio e degli attinidi minori (MA) accumulati in molti anni. A tal fine, stanno studiando materiali compositi ceramica-ceramica (Cer-Cer) e ceramica-metallo (CerMet) sulla base di composti simil-minerali (in particolare, minerali di granato). I ricercatori della Lobachevsky University ritengono che la soluzione ottimale del problema sia creare matrici di combustibile inerte composito ceramico ad alta densità (IMF) per bruciare plutonio e trasmutare attinidi minori.

Ludmila Golovkina, Capo del Laboratorio di Chimica a Stato Solido dell'UNN, osserva che insieme a tutti i loro vantaggi dal punto di vista delle applicazioni nell'ingegneria nucleare, le ceramiche a base di granato simil-minerale presentano alcuni inconvenienti, compresa la loro bassa conduttività termica e bassa tenacità alla frattura. Una bassa conduttività termica può portare a un ulteriore aumento della temperatura dovuto al calore radiogeno che si traduce in una minore stabilità chimica. La bassa tenacità alla frattura induce microfratture, che crea superfici aperte e riduce la stabilità chimica (idrolitica) della ceramica.

"A questo proposito, l'idea di creare compositi "ceramica-ceramica" e "ceramica-metallo" sembra molto promettente. Con la giusta scelta di componenti in tale materiale, la seconda fase (ceramica o metallica) potrebbe fornire sia un aumento della conducibilità termica che un aumento della tenacità alla frattura, "Spiega Ludmila Golovkina.

Un team di ricercatori sotto la supervisione della Dott.ssa Albina Orlova, professore del Dipartimento di Chimica dello Stato Solido e ricercatore capo dell'UNN Physics and Technology Research Institute, ha prodotto e studiato compositi a grana fine basati su Y _2,5 Ns _0,5 Al ₅ oh ₁₂ granato con additivi inclusi metalli altamente conduttivi (nichel, molibdeno, tungsteno) e carburo di silicio con una bassa sezione d'urto di cattura dei neutroni. Per simulare la presenza di americio e curio nella composizione ceramica, usavano il neodimio che era incorporato nel granato di ittrio-alluminio.

Secondo la professoressa Albina Orlova, è stato sviluppato e applicato un nuovo metodo chimico e metallurgico per depositare sottili strati metallici sulla superficie di particelle di granato submicronico sintetizzate, mentre la sinterizzazione al plasma ad alta velocità è stata utilizzata per sinterizzare i materiali in polvere e per produrre la ceramica. È un modo promettente per produrre ceramiche e compositi riscaldando polveri ad alta velocità, passando impulsi CC ad alta potenza (fino a 5000 A) millisecondi e applicando contemporaneamente la pressione richiesta.

Gli scienziati hanno studiato in dettaglio le caratteristiche della sinterizzazione multistadio ad alta velocità di tali compositi. È stato dimostrato che il processo di sinterizzazione dei compositi consiste in due fasi:nella prima fase, il processo di densificazione è associato al flusso plastico del materiale, e nella seconda fase, si verifica per diffusione nel reticolo cristallino del granato.

Come risultato della ricerca svolta dal team del Prof. Orlova, Sono state ottenute composizioni ceramiche "garnet-metal" e "garnet-silicon carburo" con un'elevata densità relativa (92-99% del valore teorico per "garnet-metal" e 98-99% per compositi "garnet-SiC").

"Così, possiamo garantire elevata durezza e tenacità alla frattura dei compositi, oltre alle loro elevate proprietà termofisiche, in particolare, conducibilità termica nell'intervallo di temperatura vicino alle temperature che questi materiali sperimenteranno quando utilizzati in nuovi reattori a neutroni veloci. A parità di altre condizioni, ciò ridurrà la probabilità e l'intensità della distruzione della ceramica nel processo di funzionamento del reattore, " dice Albina Orlova.

I risultati di questi studi sono stati pubblicati sulle riviste Bollettino di ricerca sui materiali (2018, v.103, p.211-215) e Chimica e fisica dei materiali (2018, v.214, P. 516-526).

Il prossimo passo in questo lavoro sarà quello di studiare la stabilità alle radiazioni dei nuovi compositi e la loro resistenza agli shock termici. Così, il team di ricerca si avvicinerà ancora di più allo sviluppo di un metodo fondamentalmente nuovo per produrre combustibile per reattori a neutroni veloci ea risolvere il problema dell'immobilizzazione dei componenti dei rifiuti altamente radioattivi isolandoli in modo sicuro dalla biosfera.