Технология искрового плазменного спекания керамических материалов для прикладной радиохимии: синтез, свойства, применение.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-73-20097

НазваниеТехнология искрового плазменного спекания керамических материалов для прикладной радиохимии: синтез, свойства, применение.

Руководитель Майоров Виталий Юрьевич, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук , Приморский край

Конкурс №24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-204 - Радиохимия

Ключевые слова Наноструктурированные материалы, ядерная керамика, ядерное топливо, оксиды урана, оксиды плутония, оксиды тория, источники ионизирующего гамма-излучения, высокоэнергетические радионуклиды, спекание, искровое плазменное спекание, радиоизотопная продукция.

Код ГРНТИ31.15.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
ССоздание современных технологий получения функциональных материалов для атомной энергетики и изотопной продукции являются критическим направлением, обеспечивающим приоритетное развитие и безопасность отрасли. В новый технологический уклад производства целевых функциональных материалов входит использование передовых методов их получения, ведущих к созданию прототипов с уникальными эксплуатационными характеристиками. Настоящий проект направлен на производство промышленно значимых материалов керамического состава в виде прочных вмещающих матриц для иммобилизации особо опасных радионуклидов и высокоплотных компаундов методом инновационной технологии искрового плазменного спекания (ИПС), известной за рубежом как Spark Plasma Sintering (SPS). При обобщении научного задела авторами доказано, что метод ИПС, основанный на высокоскоростном консолидировании порошковых материалов, в том числе, наноматериалов, в условиях высокочастотного импульсного разогрева обеспечивает получение образцов активных зон источников ионизирующего излучения (ИИИ), уран-оксидных, смесевых топливных композиций требуемой геометрической формы, размера, профиля, гарантируя их исключительные служебные характеристики: широкий изотопный ряд, экстремальная энергия излучения, дозируемая удельная активность, высокая прочность, близкая к теоретической плотность, радиационная, термическая и гидролитическая стойкость. Актуальность проекта обуславливается оригинальностью применения инновационного ИПС метода применительно к атомной энергетике и изотопной продукции, а научная новизна обеспечивается получением и систематизацией новых фундаментальных знаний в области применения ограниченно изученной и промышленно не внедрённой в России технологии ИПС, включая механизмы порошковой консолидации, процессы фазообразования, специфики топохимических реакций, диффузионных превращений, принципов организации структурной регулярности и микро(нано-) неоднородностей в неравновесных условиях плазменно-искровой обработки порошковых материалов радионуклидного состава. В том числе, формирование ранее не известных фундаментальных основ о влиянии термодинамических условий ИПС процесса на физико-химические характеристики и функциональные свойства керамических матриц определенного радионуклидного наполнения и высокоплотных ядерных керамик получаемых передовой технологией ИПС. В части практического применения, ИПС обладает исключительными преимуществами при синтезе функциональных материалов, ключевыми из которых являются: низкие температуры по сравнению с традиционными способами; минимальное время равномерного спекания образца (минуты); достижением его максимальной плотности (до 100% от теоретической), сохранением микроструктуры и пористости в отсутствие уноса радионуклидов и образования вторичных отходов. Расширение же широкого круга целевых керамических материалов для атомной отрасли обоснованы возможностями генерируемого искрового разряда спекать порошкообразную шихту разнообразной композиции, вне зависимости от методов её получения. Важнейшим преимуществом ИПС метода в промышленном производстве выступает снижение нагрузки на основное оборудование, что предотвращает его быстрый износ. В ходе выполнения проекта будут разработаны высокотехнологические приёмы ИПС консолидации порошковых материалов радионуклидного состава: алюмосиликаты (природные клиноптилолиты, перлиты, цеолиты, в том числе синтетического типа NaX, NaY, NaA), фосфаты структурного типа (тридимит KMgPO4, коснарит NaZr2(PO4)3, витлокита Ca3(PO4)2, апатит Ca5(PO4)3OH) и стурктурированные сульфаты (лайгбенит K2Mg2(SO4)3), насыщенные радионуклидами (137Cs, 90Sr), а также оксид-урановые (UO2), оксид-ториевые (ThO2) и их смесевые композиции ((U,Th)O2; (U,Th)O2+MgO, (U,Th,Са)O2; (U,Pu)O2, (Th,Pu)O2)) для разных составов по UО2 и ThO2 (от 1 до 30 мас.%), с целью получения керамических материалов, предназначенных в качестве активных зон источников ионизирующего гамма-излучения (ИИИ), а также уран и торий оксидного, а также уран-ториевых смесевых топливных композиций. Предлагаемый к разработке высокотехнологичный способ ИПС синтеза обеспечит получение высококачественных керамических материалов ядерного назначения в одну стадию, без сменных оснасток, за рекордно короткое время, путем мгновенного электроимпульсного разогрева и высокого давления прессования в отсутствие связующих примесных компонентов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Папынов Е.К., Портнягин А.С., Модин Е.Б., Майоров В.Ю., Шичалин О.О., Голиков А.П., Печников В.С., Гридасова Е.А., Тананаев И.Г., Авраменко В.А. A complex approach to assessing porous structure of structured ceramics obtained by SPS technique MATERIALS CHARACTERIZATION, Vol. 145 P. 294-302 (год публикации - 2018)
10.1016/j.matchar.2018.08.044

2. Шичалин О.О., Белов А.А., Голуб А.В., Главинская В.О., Номеровский А.Д., Папынов Е.К. Искровой плазменный синтез керамических и стеклокерамических матриц для активных зон источников ионизирующего излучения IX Российская конференция по радиохимии «Радиохимия 2018»: Сборник тезисов, г. Санкт-Петербург 17-21 сентября 2018г., с.343 (год публикации - 2018)

3. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Тананаев И.Г., Авраменко В.А., Сергиенко В.И. Синтез высокоплотных топливных таблеток из порошков диоксида урана по технологии искрового плазменного спекания IX Российская конференция по радиохимии «Радиохимия 2018»: Сборник тезисов, г. Санкт-Петербург 17-21 сентября 2018г., с.311 (год публикации - 2018)

4. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Тананаев И.Г., Авраменко В.А., Технология искрового плазменного спекания функциональных керамик практического назначения Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием «III Байкальский материаловедческий форум» (9-15 июля 2018г.) г.Улан-Удэ., Ч.2 с.103-104 (год публикации - 2018)

5. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Майоров В.Ю., Курявый В.Г., Кайдалова Т.А., Теплухина Л.В., Портнягин А.С., Слободюк А.Б., Белов А.А., Тананаев И.Г., Авраменко В.А., Сергиенко В.И. SPS technique for ionizing radiation source fabrication based on dense cesium-containing core Journal of Hazardous Materials, V.369, P.25-30 (год публикации - 2019)
10.1016/j.jhazmat.2019.02.016

6. Шичалин О.О., Папынов Е.К., Танаев И.Г. Синтез и исследование алюмосиликатных матриц, перспективных для иммобилизации радионуклида цезия XXII Всероссийская конференция молодых учёных-химиков (с международным участием) (Нижний Новгород, 23-25 апреля 2019г.): тезисы докладов., С.266 (год публикации - 2019)

7. Шичалин О.О., Белов А.А., Номеровский А.Д., Главинская В.О., Папынов Е.К., Тананаев И.Г. Синтез керамических матриц на основе алюмосиликатов для иммобилизации цезия по технологии искрового плазменного спекания XIX Всероссийская научно-практическая конференция "Дни науки - 2019". Посвящается 150-летию открытия периодического закона Д.И. Менделеевым: Материалы конференции., С.19-23 (год публикации - 2019)

8. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Тананаев И.Г., Авраменко В.А., Сергиенко В.И. Получение высокоплотной топливной UO2 керамики по технологии искрового плазменного спекания Новые материалы: толерантное ядерное топливо: Материалы 16-ой международной школы-конференции для молодых ученых и специалистов., с. 104-105 (год публикации - 2018)

9. Папынов Е., Шичалин О., Белов А., Портнягин А., Буравлев И., Сухорада А., Гридасова Е., Номеровский А., Главинская В., Тананаев И., Сергиенко В. Spark plasma sintering of UO2 fuel composite with Gd2O3 integral fuel burnable absorber Nuclear Engineering and Technology (год публикации - 2020)
10.1016/j.net.2020.01.032

10. Белов А.А., Шичалин О.О., Кайдалова Т.А., Папынов Е.К., Авраменко В.А. Синтез высокоплотных топливных таблеток из порошков диоксида урана по технологии искрового плазменного спекания XI Научная сессия-конкурс молодых ученых Института химии ДВО РАН, 20-23 мая 2019г., Владивосток: сборник трудов / Владивосток: Изд-во ДВФУ., с. 10-11 (год публикации - 2019)

11. Портнягин А.С., Майоров В.Ю., Модин Е.Б., Шичалин О.О., Папынов Е.К. Комплексный подход для определения структурной пористости оксидных керамик, получаемых искровым плазменным спеканием XI Научная сессия-конкурс молодых ученых Института химии ДВО РАН, 20-23 мая 2019г., Владивосток: сборник трудов / Владивосток: Изд-во ДВФУ., с.40-41 (год публикации - 2019)

12. Шичалин О.О., Белов А.А., Азарова Ю.А., Главинская В.О., Папынов Е.К. Синтез и физико-химические свойства керамических матриц на основе синтетического алюмосиликата для иммобилизации радиоцезия XI Научная сессия-конкурс молодых ученых Института химии ДВО РАН, 20-23 мая 2019г., Владивосток: сборник трудов / Владивосток: Изд-во ДВФУ., с. 58-59 (год публикации - 2019)

13. Белов А.А., Шичалин О.О., Главинская В.О., Номеровский А.Д., Папынов Е.К. Синтез и физико-химические свойства керамических матриц на основе синтетического алюмосиликата для иммобилизации радиоцезия Химия и химическая технология: VI международная конференция: Сборник материалов., с. 40-41 (год публикации - 2019)

14. Шичалин О.О., Фролов К.Р., Буравлев И.Ю., Тананаев И.Г., Фаизова В.В., Азон С.А., Андреева Н.И., Папынов Е.К. Синтез и искровое плазменное спекание микрокристаллического диоксида тория для изделий топливного назначения Журнал неорганической химии (Russian Journal of Inorganic Chemistry) (год публикации - 2020)

15. Папынов Е., Шичалин О., Буравлев И., Портнягин А., Майоров В., Белов А., Сухорада А., Гридасова Е., Тананаев И., Сергиенко В. SPS technique for UO2-Eu2O3 compound fuel fabrication Journal of Alloys and Compounds (год публикации - 2020)

16. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Мироненко А.Ю., Тананаев И.Г., Авраменко В.А., Сергиенко В.И. UO2 fuel pellets fabrication via Spark Plasma Sintering using non-standard molybdenum die IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, V.307, article № 012029 (год публикации - 2018)
10.1088/1757-899X/307/1/012029

17. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Тананаев И.Г., Авраменко В.А. Технология искрового плазменного спекания функциональных керамик практического назначения Сборник научных трудов всероссийской научно-практической конференции, посвященной памяти В.Ф. Куропатенко. Научная сессия НИЯУ МИФИ-2017 по направлению «Инновационные ядерные технологии»., С. 83-85 (год публикации - 2017)

18. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Тананаев И.Г., Авраменко В.А. Технология искрового плазменного спекания функциональных керамик практического назначения Материалы Международного молодежного научного форума "ЛОМОНОСОВ-2018" / Отв. ред. И.А. Алешковский, А.В. Андриянов, Е.А. Антипов [Электронный ресурс] - М.: МАКС ПРЕСС (год публикации - 2018)

19. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Мироненко А.Ю., Ряков А.В., Манаков И.В., Махров П.В., Буравлев И.Ю., Тананаев И.Г., Авраменко В.А., Сергиенко В.И. Spark Plasma Sintering of highly dense UO2 pellets using different kind of dies Radiochemistry (год публикации - 2018)

20. Шичалин О.О., Папынов Е.К., Майоров В.Ю., Белов А.А., Модин Е.Б., Буравлев И.Ю., Азарова Ю.А., Голуб А.В., Гридасова Е.А., Сухорада А.Е., Тананаев И.Г., Авраменко В.А. Spark plasma sintering of aluminosilicate ceramic matrices for cesium immobilization Radiochemistry (год публикации - 2019)

21. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Медков М.А., Грищенко Д.Н., Ткаченко И.А., Федорец А.Н., Печников В.С., Голуб А.В., Буравлев И.Ю., Тананаев И.Г., Авраменко В.А. Spark plasma sintering of functional ceramics for special practical application Glass Physics and Chemistry (год публикации - 2018)

22. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Портнягин А.С., Майоров В.Ю., Белов А.А., Главинская В.О., Номеровский А.Д., Тананаев И.Г., Авраменко В.А. SPS technique application for uranium dioxide non-ceramic powder consolidation IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (год публикации - 2018)

23. Папынов Е.К., Шичалин О.О., Тананаев И.Г., Авраменко В.А., Сергиенко В.И. Возможности технологии искрового плазменного спекания для синтеза функциональных керамик практического назначения Труды Кольского научного центра, III Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 60-летию ИХТРЭМС ФИЦ КНЦ РАН., Вып. 2., Ч. 1. С. 90-93. (год публикации - 2018)
10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.90-94

Публикации