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 24-73-00335
НазваниеУточнение диаграмм состояния двойных и тройных систем уран-платиновые металлы (рутений, родий, палладий)
Руководитель Неволин Юрий Михайлович, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина Российской академии наук , г Москва
Конкурс №97 - Конкурс 2024 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» 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 ядерный топливный цикл, нитридное топливо, актиниды, уран, платиновые металлы, рутений, родий, палладий, фазовые диаграммы
Код ГРНТИ31.15.23
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Тематика проекта тесно связана с разрабатываемой в настоящее время в РФ ядерной энергетикой с замкнутым ядерным топливным циклом (ЗЯТЦ). Предполагается, что одним из основных видов топлива, пригодных для эксплуатации в ЗЯТЦ станет плотное нитридное топливо.
Одним из важных инструментов анализа поведения топлива в ходе его облучения являются реакторные коды, включающие в себя в том числе модули определения фазового состав облученного топлива. Корректная работа таких кодов невозможна без знания о базовых термодинамических свойствах систем, возникающих при накоплении продуктов деления. Одной из таких систем является группа платиновых металлов (рутений, родий, палладий), для которой предполагается присутствие в отработавшем нитридном топливе в виде сплавов с ураном. Однако, имеющиеся в настоящее время диаграммы состояния для данных систем противоречивы и требуют дополнительной экспериментальной проверки, что и является целью настоящей работы. В работе будут исследованы бинарные системы U-Ru и U-Rh с содержанием металлов, соответствующем стехиометрическому составу известных интерметаллидов и вблизи этого состава, а также тройные системы U-Ru-Rh-Pd с содержанием металлов, соответствующем типичному составу отработавшего ядерного топлива реакторов на быстрых нейтронах и областям особенностей бинарных систем. Для исследования предполагается использовать современные подходы, включающие в себя рентгенофазовый анализ, термический анализ, анализ микроструктуры с использованием электронной микроскопии. Результатом выполнения работы станут новые сведения о фазовом составе, микроструктуре и фазовых переходах, наблюдающихся в бинарных и тройных сплавах урана и платиновых металлов. Полученные сведения существенным образом дополнят и качественно улучшат имеющиеся диаграммы состояния. В будущем это позволит более точно моделировать фазовый состав четверного сплава U-Ru-Rh-Pd, присутствие которого предполагается в отработавшем нитридном топливе и надежнее предсказывать поведение ядерного топлива при его работе в активной зоне реактора и последующей радиохимической переработке.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Одним из важных аспектов ядерной энергетики является её устойчивое развитие в будущем. Возможным решением для этого может стать замкнутый ядерный топливный цикл, минимизирующий потребление природного урана и сокращающий объемы радиоактивных отходов. Ключевым компонентом в такой системе являются реакторы на быстрых нейтронах, способные к воспроизводству ядерного горючего. Такой тип реакторов требует специальных видов топлива, одним из таких является плотное нитридное топливо на основе (U,Pu)N. В ходе эксплуатации топлива происходит накопление продуктов деления, часть из них представлена благородными металлами – Ru, Rh, Pd. Имеющиеся на данный момент ограниченные данные позволяют говорить о присутствии благородных металлов в отработавшем нитридном топливе в виде интерметаллидов UM3 (M – Ru, Rh, Pd), однако консенсуса в этом отношении нет. При этом, для определения химической формы элементов в топливе часто используется термодинамическое моделирование фазового состава, основанное на известных фазовых диаграммах. Для исследованных в работе систем U-Ru и U-Rh имеющиеся на данный момент диаграммы состояния не являются надежными, а структуры большей части интерметаллидов в них не установлены. Уточнение этих данных и составило содержание настоящей работы.
На данном этапе работ проведен синтез интерметаллидов U2Ru, U0.52Ru0.48, U3Ru4, U2Ru3 (U3Ru5), U3Rh4, U3Rh5, а также образцов состава U4Rh3 и смешанных U(Ru,Rh,Pd)3.
Предложен материал – UO2 – стойкий к действию расплавов интерметаллидов, образующихся в ходе термического анализа.
Показано, что температура плавления U2Ru, U0.52Ru0.48, U3Ru4, U2Ru3 (U3Ru5) находится в интервале между опорными экспериментальными данными и уточненным при помощи термодинамического моделирования. Температура плавления U3Rh4, U3Rh5 требует дальнейшего уточнения.
Показано, что U2Ru, U0.52Ru0.48, U3Ru4, U3Rh5 являются соединениями точного состава с областью гомогенности не более 1 ат.% при 900-1000 oC. Для U3Rh4 область гомогенности находится в диапазоне составов U0.46Rh0.54 - U0.43Rh0.57. Для U4Rh3 показано, что данному составу соответствует двухфазная область при 900 oC, есть основания полагать, что реальный состав ИМС отвечает формуле U0.52Rh0.48 аналогично рутению. Также показано, что в области между U3Rh5 и URh3 при 1000 oC можно ожидать существование еще одного интермтеллида состава URh2. Для U3Ru5 установлено, что его структура соответствует U2Ru3 – ранее синтезированного, но не вошедшего в фазовую диаграмму соединения. Показано, что область гомогенности U2Ru3 (U3Ru5) находится в интервале U0.4Ru0.6- U0.37Ru0.63.
Показано, что U(Ru,Rh,Pd)3, содержащие в преобладающем количестве один из благородных металлов, являются однофазными системами при 1000 oC с кубической структурой типа Cu3Au, в то время как интерметаллиды с равным содержанием благородных металлов при 1000 oC существует в виде двух кубических фаз с близкими параметрами решетки, но разным содержанием рутения и палладия.