A estrutura cristalina da granada de ítrio-alumínio. Crédito:Universidade Lobachevsky
Esforços conjuntos de pesquisa de uma equipe de cientistas da Universidade Lobachevsky de Nizhny Novgorod (UNN) composta por químicos, físicos e engenheiros estão atualmente focados em resolver os problemas de manuseio do plutônio e dos actinídeos menores (MA) acumulados ao longo de muitos anos. Para este fim, eles estão estudando materiais de cerâmica-cerâmica composta (Cer-Cer) e cerâmica-metal (CerMet) com base em compostos semelhantes a minerais (em particular, minerais de granada). Os pesquisadores da Universidade Lobachevsky acreditam que a solução ideal para o problema é criar matrizes de combustível inerte composto de cerâmica de alta densidade (FMI) para queimar plutônio e transmutar actinídeos menores.
Ludmila Golovkina, Chefe do Laboratório de Química de Estado Sólido da UNN, observa que, junto com todas as suas vantagens do ponto de vista das aplicações na engenharia de energia nuclear, cerâmicas à base de granada semelhantes a minerais têm algumas desvantagens, incluindo sua baixa condutividade térmica e baixa resistência à fratura. A baixa condutividade térmica pode levar a um aumento adicional da temperatura do calor radiogênico, o que resulta em menor estabilidade química. Baixa resistência à fratura induz microfratura, que cria superfícies abertas e reduz a estabilidade química (hidrolítica) da cerâmica.
"A respeito disso, a ideia de criar compósitos "cerâmica-cerâmica" e "cerâmica-metal" parece muito promissora. Com a escolha certa de componentes em tal material, a segunda fase (cerâmica ou metálica) pode fornecer um aumento na condutividade térmica e um aumento na tenacidade à fratura, "Ludmila Golovkina explica.
Uma equipe de pesquisadores sob a supervisão da Dra. Albina Orlova, professor do Departamento de Química do Estado Sólido e pesquisador principal do Instituto de Pesquisas em Física e Tecnologia da UNN, produziu e estudou compósitos de granulação fina com base em Y 2,5 WL 0,5 Al 5 O 12 granada com aditivos, incluindo metais altamente condutores de calor (níquel, molibdênio, tungstênio) e carboneto de silício com uma seção transversal de captura de nêutrons baixa. Para simular a presença de amerício e cúrio na composição cerâmica, eles usaram neodímio que foi incorporado na granada de ítrio-alumínio.
Esquema do aparelho Spark Plasma Sintering:esquema geral (a); colocação da amostra em um molde (b). Crédito:Universidade Lobachevsky
De acordo com a Professora Albina Orlova, um novo método químico e metalúrgico foi desenvolvido e aplicado para depositar finas camadas de metal na superfície de partículas de granada submicrônicas sintetizadas, enquanto a sinterização por plasma de alta velocidade foi usada para sinterizar os materiais em pó e para produzir a cerâmica. É uma forma promissora para a produção de cerâmicas e compósitos por aquecimento de pós em alta taxa, passando pulsos CC de alta potência (até 5000 A) milissegundos e aplicando simultaneamente a pressão necessária.
Os cientistas estudaram em detalhes as características da sinterização de vários estágios de alta velocidade de tais compósitos. Foi demonstrado que o processo de sinterização de compósitos consiste em duas etapas:Na primeira etapa, o processo de densificação está associado ao fluxo plástico do material, e na segunda fase, ocorre devido à difusão na rede de cristal granada.
Como resultado da pesquisa feita pela equipe do Prof. Orlova, Foram obtidas composições de cerâmica "granada-metal" e "granada-carboneto de silício" com alta densidade relativa (92-99 por cento do valor teórico para "granada-metal" e 98 a 99% para "granada-SiC".
Diagramas de sinterização para compósitos YAG-SiC de granulação fina:dependências de retração (a) e taxa de retração (b) na temperatura de aquecimento. Crédito:Universidade Lobachevsky
"Assim, podemos garantir alta dureza e resistência à fratura de compósitos, bem como suas altas propriedades termofísicas, em particular, condutividade térmica na faixa de temperatura próxima às temperaturas que esses materiais experimentarão quando usados em novos reatores de nêutrons rápidos. Todas as outras coisas sendo iguais, isso irá reduzir a probabilidade e intensidade de destruição da cerâmica no processo de operação do reator, "Albina Orlova diz.
Os resultados desses estudos foram publicados nas revistas Boletim de Pesquisa de Materiais (2018, v.103, p.211-215) e Química e Física de Materiais (2018, v. 214, p. 516-526).
A próxima etapa deste trabalho será estudar a estabilidade à radiação dos novos compósitos e sua resistência ao choque térmico. Assim, a equipe de pesquisa chegará ainda mais perto de desenvolver um método fundamentalmente novo para produzir combustível para reatores de nêutrons rápidos e de resolver o problema da imobilização de componentes de resíduos altamente radioativos, isolando-os com segurança da biosfera.
