loader image

Ядролық физика институты

Қазақстан Республикасы Энергетика министрлігі

ЖМК1 ГҚ 36 ай
Іске асыру мерзімі: 2021 жылғы сәуір – 2023 жылғы 1 қараша
AP09259476 «Бөліну жарықшақтарының энергиясымен ауыр иондармен сәулелендірілген перспективті ядролық керамикалардағы радиациялық эффектілерді және жылуфизикалық қасиеттерді модельдеу»

Өзектілік

Заманауи энергетика үшін ядролық отын циклінің нәтижесінде түзілетін радиоактивті қалдықтарды кәдеге жарату мәселесі өте маңызды болып қала береді. Олардың радиоуыттылығын төмендетудің перспективті тәсілдерінің бірі радиоактивті изотоптардың түзілуіне, атап айтқанда, бөліну жарықшақтарының әсеріне инертті және радиациялық төзімділіктің жоғарылауымен сипатталатын ядролық отынның арнайы сұйылтқыштарын (матрицаларын) пайдалана отырып, минорлық актинидтерді бейтараптандыру болып табылады.

Ядролық отын сұйылтқыштарының, сондай-ақ ядролық энергетикаға арналған конструкциялық материалдар қасиеттеріне бөліну өнімдерінің осындай әсерін зерттеуді электрондық энергия шығыны режимінде тежеуші ауыр иондардың үдетілген шоқтарын қолдану арқылы жүргізу ең ыңғайлы болып саналады, өйткені бұл кең ауқымда ионизациялық және ядролық энергия шығындарының деңгейлерін түрлендіруге мүмкіндік береді және жаңа материалдардың ұзақ мерзімді радиациялық тұрақтылығын объективті болжау үшін кең ауқымды мәлімет алуға бірегей мүмкіндік береді. Сонымен қатар, мұндай иондармен сәулелендіруге ең сезімтал аймақ матрицалардың бетке жақын аумағы, сондай-ақ көп құрауышты және көп қабатты құрылымдардағы отын материалының интерфейстік аумағы болып табылады. Беттің шамадан тыс потенциалдық энергиясы, энергия мен бөлшектердің қоршаған ортамен мүмкін болатын алмасуы, көлемді кристалмен салыстырғанда, ШАИ сәулелендіруге материалдың реакциясын айтарлықтай өзгертуі мүмкін екенін айта кету керек. Сондықтан массивтік үлгілердің ықтимал модификациялануына, сондай-ақ энергетика мен электрониканың композиттік материалдарында орта бөлігі шегіндегі аумақтарына шапшаң ауыр иондармен сәулелендірудің әсерін эксперименттік, аналитикалық және сандық зерттеу радиациялық материалтанудың қажетті және өзекті міндеті болып табылады.

Бүгінгі таңда шапшаң ауыр иондардың әсері (ШАИ, Е>1 МэВ/а.е.м.) эксперименттік деректердің жинақталған көлеміне қарамастан, ядролық сәулеленудің басқа түрлерімен салыстырғанда әлі де аз зерделенген. ШАИ әсерінен болатын, және де радиациялық әсердің барлық басқа түрлерінде қайталанбайтын құрылымдық зақымданудың негізгі түрі жасырын тректер болып табылады. Бұл ақаулар иондық траекторияның айналасында көлденең өлшемдері бірнеше нанометр болатын созылыңқы ретсізденген аумақтар болып табылады. Әдебиеттерде жоғары энергиялы ауыр ион трегінде материалдың қозу және релаксация кезеңдерін сипаттайтын сандық модельдер іс жүзінде ұсынылмаған, ал қол жетімді тәсілдер әртүрлі материалдар үшін біркелкі емес.

Аталмыш жұмыс ядро-физикалық және нанотехнологиялық қолданбалар үшін диэлектрлік керамикалық материалдарда (Al2O3, Y3Al5O12, MgO, ZrO2, Si3N4) ақаулардың қалыптасу процестерін сандық зерттеуге бағытталған, бұл үлгі тереңдігі бойынша, беткі қабатында және олардың даму динамикасындағы интерфейстік аумақтарына жақын зақымданудың пайда болу механизмдерін қарастыруға мүмкіндік береді. Иондар траекториясы айналасындағы керамикада құрылымдық-фазалық өзгерістерді электрондық және иондық ішкі жүйелердің қозуын сипаттау және молекулалық динамика әдістерімен модельдеу үшін Монте-Карло моделін біріктіретін бұрын әзірленген сандық тәсіл арқылы зерттеу керек. Модельдеу нәтижелері жарықтандырушы электрондық микроскопия деректерімен салыстырылады және сәулелендіруден кейін материалдардың жылу өткізгіштігінің өзгеруін бағалау үшін қолданылады.

Жобаны орындау барысында алынған нәтижелер инертті отын матрицалары мен минорлық актинидтерді трансмутациялауға арналған керамиканың (оның ішінде композиттік) құрылымын әрлеудің жаңа әдістерінің негізіне алынуы мүмкін, сондай-ақ радиациялық төзімділігі жоғары және тиісті жылуфизикалық қасиеттері бар перспективті материалдарды жасаудың жаңа тәсілдерін әзірлеуге мүмкіндік береді. Мұндай материалдарды қолданудың одан арғы келешегі инновациялық энергетиканы, зымыран-ғарыштық техниканы, сондай-ақ жалпы және арнайы машинажасаудың әртүрлі салаларын қамтиды.

Мақсаты

Ақаулардың пайда болу механизмдерін сандық зерттеу және бөліну жарықшақтарымен сәулелендіруді модельдейтін жоғары энергиялы ауыр иондардың әсеріне қатысты нитридтер мен оксидтер негізінде ядролық отынның инертті сұйылтқыштарының (матрицаларының) кандидаттық материалдарындағы радиациялық төзімділік бойынша  бар микроқұрылымдық деректерді талдау.

Күтілетін нәтижелер

Жобаны іске асырудың негізгі нәтижесі электрондық және иондық кіші жүйелерді қоздыру механизмдерін сипаттау және оларды кейіннен бөліну жарықшақтарының әсерін модельдейтін шапшаң ауыр иондардың  тректерінде ядролық энергетиканың перспективті материалдарының (Al2O3, Y3Al5O12, MgO, ZrO2, Si3N4) беткі аймағында релаксация болады. Осы материалдардың енгізілген қозуға құрылымдық реакциясының ұшып келетін иондардың параметрлерінен және қатты дененің негізгі қасиеттеріне тәуелділігі анықталады.

Жобаны орындау нәтижесінде ШАИ тректерінде материалдардың электрондық және иондық ішкі жүйелерін қоздыру кинетикасын сипаттайтын сандық және реттеу рәсімдерін пайдаланбай мультимасштабты модельді құру аяқталады. Түпнұсқалы Монте-Карло моделі (TREKIS) жаңғыртылады: цилиндрлік геометриядан үш өлшемді геометрияға өту; асимптотикалық траектория әдісінен зарядталған бөлшектердің қозғалыс теңдеулерін интеграциялауға өту. Монте-Карло моделінің жаңа нұсқасын қолдану әртүрлі геометриялар үшін үлгі бетінен қашықтыққа байланысты, оның ішінде біртекті емес құрылымдарда: қабатты материалдар мен құрамында басқа құрамның, фазаның және құрылымның наноөлшемді қосындылары бар материалдарда ШАИ трегінде электрондар мен тесіктер тығыздығының және олардың энергиясының кеңістіктік-уақытша үлестірілуін алуға мүмкіндік береді.

Осылайша, кіріс параметрлері алынатын болады – тордың релаксациясын сипаттау әдістерін қолдану үшін бастапқы жағдайлар, атап айтқанда, молекулалық динамика бағдарламасы (LAMMPS) қолданылып, олардың көмегімен келесілер сипатталады:

1) Материал торының релаксация кинетикасы және әртүрлі бұрыштарда сәулелендірілген кезде массивтік үлгілері мен олардың бетке жақын қабаттарында соңғы құрылымы.

2) ШАИ-сәулелендірудің әртүрлі параметрлері кезінде үлгілердің бетінде зақымдануларды қалыптастыру механизмдері (кристалдық және аморфты наноөлшемді төмпешіктер, шағын бұрыштарда сәулелендіру арқылы қалыптасатын созылыңқы наноқұрылымдар).

3)біртекті емес құрылымдарда нанометр өлшемінің ақаулы аймақтарын қалыптастыру процестері (қабатты композиттер, наноөлшемді қосылыстар).

4) сәулелендіруден кейін зерттелетін материалдардың жылу өткізгіштігінің өзгеруі.

Қол жеткізілген нәтижелер

Зерттеу нәтижесінде қатты денелердің беткі және бетке жақын қабаттарымен иондаушы сәулеленудің өзара әрекеттесуі кезінде пайда болатын процестерді есепке алу мақсатында түпнұсқа Монте-Карло моделіне жаңғырту жүргізілді. Бөліну жарықшақтарының энергияларымен ауыр иондармен сәулелендірілген диэлектрлік материалдардың (Al2O3, Y3Fe5O12, MgO, ZrO2, Si3N4) қозу параметрлерінің кеңістіктік-уақыттық тәуелділігі есептелді. Y3Fe5O12 диэлектрлік функциясы таңдалды және тестіленді, содан кейін зарядталған бөлшектердің материалдармен өзара әрекеттесуін есептеу үшін қолданылды.

Al2O3 және Y3Fe5O12 үшін атомаралық потенциалдар таңдалды және тестіленді. Массивтік үлгілерде және диэлектрлі материалдардың бетіне жақын молекулалық динамика әдісімен ШАИ туындаған құрылымдық зақымдарды модельдеу жүргізілді, сондай-ақ тректердің құрылымына талдау жасалды. Жоба нәтижесінде алғаш рет Al2O3 жылу өткізгіштігінің реттелген параметрлерсіз сандық әдістерді қолдану арқылы иондардың флюенсіне тәуелділігі зерттелді. Сәулелендіруден кейінгі жылу өткізгіштіктің деградациясына тректердің әртүрлі аймақтарының әсері зерделенді.

– Жарияланды: JCR Web of Science бойынша Q1 кіретін басылымда 1 мақала

Зерттеу тобы мүшелерінің аты-жөні (лауазымы, дәрежесі) олардың идентификаторлары (Scopus Author ID, Researcher ID, ORCID, егер бар болса) және сәйкес профильдерге сілтемелер

1) Жоба жетекшісі – АҒҚ, Рымжанов Р.А. (http://orcid.org/0000-0002-7404-9769); Scopus ID 55648728100

(https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=55648728100)

2) ҒҚ, Ибраева А.Д.

(https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=55637013100)

3) АҒҚ – Волков А.Е. («Курчатов институты» ҒЗО, Мәскеу, Ресей)

(https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=55938916900)

4) Инженер – Мутали А.К.

(https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57216340812)

5) Инженер – Темір Ә.М.

6) Инженер – Курахмедов А.Е.

7) Инженер – Унгарбаев Е.О.

Жарияланымдар тізімі (оларға сілтемелері бар) және патенттер

Kurakhmedov, A.E.; Alin, M.; Temir, A.M.; Ivanov, I.A.; Bikhert, Y.V.; Ungarbayev, Y.O.; Zdorovets, M.V.; Kozlovskiy, A.L. Study of the Effect of Doping ZrO2 Ceramics with MgO to Increase the Resistance to Polymorphic Transformations under the Action of Irradiation. Nanomaterials 2021, 11, 3172. https://doi.org/10.3390/nano11123172 (ИФ – 5.076)

Ядролық физика институты

Қазақстан Республикасы Энергетика министрлігі

Байланыс

eskort eskişehir - mersin eskort - adana eskort