Гафнаты Nd2Hf2O7 в Минске

Гафнаты NdHfO — высокотемпературная керамика для ядерной энергетики

Гафнат неодима NdHfO — соединение со структурой пирохлора (кубическая сингония, пространственная группа Fd3m), формируемое в системе NdO–HfO. Материал относится к классу сложных оксидов с высокой температурой плавления и рассматривается как перспективная матрица для иммобилизации актинидов и продуктов деления в замкнутом ядерном топливном цикле.

Кристаллическая решётка NdHfO характеризуется упорядоченным расположением катионов Nd и Hf в позициях 16c и 16d соответственно, с вакансиями кислорода в позиции 8a. Такая структура обеспечивает высокую радиационную стабильность: при облучении тяжёлыми ионами материал сохраняет кристалличность вплоть до доз ~10 ион/см, что существенно выше порога аморфизации для цирконовых матриц.

Ключевые физико-химические параметры

Температура плавления NdHfO достигает 2400–2450 C, что превосходит показатели большинства керамических матриц для радиоактивных отходов. Теплопроводность при комнатной температуре составляет 1,5–2,0 Вт/(мК) и снижается с ростом температуры до 1,0–1,2 Вт/(мК) при 1000 C, что характерно для пирохлоров с разупорядоченной подрешёткой кислорода.

Коэффициент термического расширения в диапазоне 25–1200 C — 9,5–10,5 10 К, что обеспечивает совместимость с конструкционными материалами на основе нержавеющих сталей и циркониевых сплавов. Твёрдость по Виккерсу — 9,5–10,5 ГПа, трещиностойкость Kc — 1,8–2,2 МПам/.

Технология получения и спекания

Синтез NdHfO выполняется твердофазным методом из оксидов NdO и HfO при 1400–1500 C с промежуточным помолом, либо соосаждением гидроксидов с последующей кальцинацией. Для консолидации применяется горячее прессование при 1550–1650 C и давлении 30–40 МПа, обеспечивающее плотность выше 97% теоретической. Альтернативный метод — искровое плазменное спекание (SPS) при 1450–1550 C со скоростью нагрева 100–200 C/мин, позволяющее получать образцы с размером зерна 1–3 мкм.

Для производства гранулированных форм используется метод внутренней гелевой кристаллизации, при котором золь NdHfO переводится в гелевые микросферы диаметром 50–200 мкм с последующим прокаливанием при 1200 C. Такие микросферы пригодны для виброуплотнения в твэлы или для изготовления таблетированных матриц методом двухосного прессования.

Радиационная стойкость и поведение в условиях облучения

Ключевое преимущество NdHfO — устойчивость к аморфизации под действием тяжёлых ионов. Критическая доза аморфизации при облучении ионами Kr с энергией 1 МэВ составляет ~5 10 ион/см при комнатной температуре, что на порядок выше, чем у титаната пирохлора GdTiO. При повышении температуры до 600–700 C наблюдается полное подавление аморфизации за счёт динамического отжига радиационных дефектов.

Скорость выщелачивания Nd в деионизированной воде при 90 C не превышает 10 г/(мсут), что соответствует требованиям к матрицам для захоронения отходов высокой активности. В условиях гидротермальной среды (200 C, 10 МПа) скорость выщелачивания возрастает до 10 г/(мсут), оставаясь приемлемой для долгосрочного хранения.

Области применения

• Матрицы для иммобилизации минорных актинидов (Am, Cm, Np) в замкнутом ядерном топливном цикле
• Керамические формы для захоронения отходов переработки ОЯТ с высоким удельным тепловыделением
• Материалы для нейтрон-поглощающих элементов систем управления и защиты реакторов
• Высокотемпературные теплозащитные покрытия для газотурбинных двигателей с рабочей температурой до 1400 C
• Компоненты твёрдооксидных топливных элементов с протонной проводимостью

Совместимость с конструкционными материалами

При контакте с циркониевыми сплавами (Э110, Zircaloy-4) в диапазоне 300–400 C NdHfO не образует химических соединений, что подтверждено диффузионными парами с выдержкой до 1000 ч. С нержавеющей сталью 08Х18Н10Т взаимодействие ограничивается образованием тонкой оксидной прослойки CrO толщиной 1–2 мкм, не влияющей на механическую целостность интерфейса.

В паре с топливными таблетками UO при 1000–1200 C наблюдается ограниченная взаимная диффузия Nd и U с формированием твёрдых растворов в приповерхностном слое до 5 мкм, что не приводит к деградации барьерных свойств.

Вопросы и ответы