loader image

Институт ядерной физики

Министерство энергетики Республики Казахстан

ГФ КМУ1 36 месяцев
Срок реализации: апрель 2021 – 1 ноября 2023 г.
AP09259476 «Моделирование радиационных эффектов и теплофизических свойств в перспективных ядерных керамиках, облученных тяжелыми ионами с энергиями осколков деления»

Актуальность

Для современной энергетики критическим остается вопрос утилизации радиоактивных отходов, образующихся в результате ядерного топливного цикла. Одним из перспективных способов снижения их радиотоксичности является нейтрализация минорных актинидов с использованием специальных разбавителей (матриц) ядерного топлива, инертных к образованию радиоактивных изотопов и характеризующихся повышенной радиационной стойкостью, в частности, к воздействию осколков деления.

Исследование такого воздействия продуктов деления на свойства разбавителей ядерного топлива, а также конструкционных материалов для ядерной энергетики представляется наиболее удобным с применением ускоренных пучков тяжелых ионов, тормозящихся в режиме электронных потерь энергии, поскольку это позволяет варьировать уровни ионизационных и ядерных потерь энергии в широких пределах и предоставляет уникальную возможность для получения широкого спектра сведений для объективного прогноза долговременной радиационной стабильности новых материалов. При этом наиболее чувствительной зоной к облучению такими ионами является приповерхностная область матриц, а также интерфейсная область материал-топливо в многокомпонентных и многослойных структурах. Стоит отметить, что избыточная потенциальная энергия поверхности, возможный обмен энергией и частицами с окружающей средой могут существенно изменить отклик материала на облучение БТИ, по сравнению с объемным кристаллом. Поэтому, экспериментальное, аналитическое и численное исследование влияния облучения быстрыми тяжелыми ионами на возможную модификацию массивных образцов, а также областей на границе раздела сред в композитных материалах энергетики и электроники является необходимой и актуальной задачей радиационного материаловедения.

На сегодняшний день воздействие быстрых тяжелых ионов (БТИ, Е>1 МэВ/а.е.м.), несмотря на накопленный объем экспериментальных данных, все еще остается наименее изученным по сравнению с другими видами ядерных излучений. Основным типом структурных нарушений, вызываемых БТИ, и невоспроизводимом при всех других видах радиационного воздействия, являются латентные треки. Эти дефекты представляют собой протяженные разупорядоченные области с поперечным размером в несколько нанометров вокруг ионной траектории. В литературе практически не представлены количественные модели, описывающие стадии возбуждения и релаксации материала в треке высокоэнергетического тяжелого иона, а имеющиеся подходы не являются единообразными для различных материалов.

Настоящая работа нацелена на количественное исследование процессов формирования дефектов в диэлектрических керамических материалах (Al2O3, Y3Al5O12, MgO, ZrO2, Si3N4) для ядерно-физических и нанотехнологических приложений, что позволит рассмотреть механизмы образования повреждений в глубине образца, на поверхности и вблизи интерфейсных областей в динамике их развития. Структурно-фазовые изменения в керамиках вокруг траектории ионов предполагается исследовать с помощью разработанного ранее количественного подхода, объединяющего модель Монте-Карло для описания возбуждения электронной и ионной подсистем и моделирование методами молекулярной динамики. Результаты моделирования будут сравниваться с данными просвечивающей электронной микроскопии и использоваться для оценки изменения теплопроводности материалов после облучения.

Полученные в ходе выполнения проекта результаты могут быть положены в основу новых методов дизайна структуры керамик (в т.ч. композитных) для инертных топливных матриц и трансмутации минорных актинидов, а также позволят разработать новые подходы к созданию перспективных материалов с повышенной радиационной стойкостью и соответствующими теплофизическими свойствами. Дальнейшая перспектива применения таких материалов охватывает инновационную энергетику, ракетно-космическую технику и различные отрасли общего и специального машиностроения.

Цель

Количественное исследование механизмов образования дефектов и анализ имеющихся микроструктурных данных по радиационной стойкости в кандидатных материалах инертных разбавителей (матриц) ядерного топлива на основе нитридов и оксидов по отношению к воздействию тяжелых ионов высоких энергий, моделирующему облучение осколками деления.

Ожидаемые результаты

Основным результатом реализации проекта будет описание механизмов возбуждения электронной и ионной подсистем и последующей их релаксации в поверхностной области перспективных материалов ядерной энергетики (Al2O3, Y3Al5O12, MgO, ZrO2, Si3N4) в треках быстрых тяжелых ионов, моделирующих воздействие осколков деления. Будут определены зависимости структурного отклика данных материалов на вносимое возбуждение от параметров налетающих ионов и базовых свойств твердых тел.

В результате выполнения проекта будет завершено построение мультимасштабной модели, количественно и без использования подгоночных процедур описывающей кинетику возбуждения электронной и ионной подсистем материалов в треках БТИ. Будет выполнена модернизация оригинальной Монте-Карло модели (TREKIS): переход от цилиндрической геометрии к трехмерной; переход от метода асимптотических траекторий к интегрированию уравнений движения заряженный частиц. Применение новой версии модели Монте-Карло позволит получить пространственно-временные распределений плотности электронов и дырок и их энергий в треке БТИ в зависимости от расстояния от поверхности образца для различных геометрий, в том числе в неоднородных структурах: в слоистых материалах и материалах, содержащих наноразмерные включения иного состава, фазы и структуры.

Таким образом, будут получены входные параметры – начальные условия для применения методов описания релаксации решетки, в частности, будет использована программа молекулярной динамики (LAMMPS), с помощью которых будут описаны:

1) Кинетика релаксации решетки материала и конечная структура в массивных образцах и их приповерхностном слое при облучении под различными углами.

2)  Механизмы формирования повреждений (кристаллические и аморфные наноразмерные бугорки, протяженные наноструктуры, формируемые облучением под малыми углами) на поверхности образцов при различных параметрах БТИ-облучения.

3) Процессы формирования дефектных областей нанометрового размера в неоднородных структурах (слоистые композиты, наноразмерные включения).

4) Изменение теплопроводности исследуемых материалов после облучения.

Достигнутые результаты

В результате исследования проведена модернизация оригинальной Монте-Карло модели с целью учета процессов, возникающих при взаимодействии ионизирующего излучения с поверхностными и приповерхностными слоями твердых тел. Рассчитаны пространственно-временные зависимости параметров возбуждения диэлектрических материалов (Al2O3, Y3Fe5O12, MgO, ZrO2, Si3N4) облучаемых тяжелыми ионами с энергиями осколков деления. Подобрана и протестирована диэлектрическая функция Y3Fe5O12, которая затем использовалась для расчета сечений взаимодействия заряженных частиц с материалами. Подобраны и протестированы межатомные потенциалы для Al2O3 и Y3Fe5O12. Проведено моделирование структурных повреждений, вызываемых БТИ методом молекулярной динамики в массивных образцах и вблизи поверхности диэлектрических материалов, а также проанализирована структура треков. В результате проекта впервые исследована зависимость теплопроводности Al2O3 от флюенса ионов с помощью численных методов без подгоночных параметров. Изучено влияние различных областей трека на деградацию теплопроводности после облучения.

— Опубликовано: 1 статья в издании, входящем в Q1 по JCR Web of Science

ФИО членов исследователь-ской группы (должность, степень)  с  их идентификаторами (Scopus Author ID, Researcher ID, ORCID, если имеются) и ссылками на соответствующие профили

1) Руководитель проекта – СНС, Рымжанов Р.А.. (http://orcid.org/0000-0002-7404-9769); Scopus ID 55648728100

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

2) НС, Ибраева А.Д.

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

3) СНС – Волков А.Е. (НИЦ «Курчатовский институт», Москва, Россия)

 (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.

Список публикаций (со ссылками на них) и патентов

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)

Институт ядерной физики

Министерство энергетики Республики Казахстан

Контакты

eskort eskişehir - mersin eskort - adana eskort