ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ СТРУКТУРНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ КЕРАМИК НА ОСНОВЕ ЦИРКОНАТОВ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ ОБЛУЧЕНИИ

В работе приведено всестороннее описание результатов экспериментальных работ, связанных с изучением механизмов накопления радиационных повреждений при облучении тяжелыми ионами Xe⁺ исследуемых образцов Nd₂Zr₂O₇ керамик в нестабилизированном состоянии, и стабилизированных 0,15 М MgO и Y₂O₃, добавление которых согласно данным рентгенофазового анализа приводит к формированию в структуре примесных включений в виде MgO и Y₂Zr₂O₇ зерен, которые создают буферный защитный слой в межзеренном пространстве, наличие которого приводит к увеличению сопротивляемости к радиационно-индуцированным процессам разупрочнения и снижения теплофизических параметров. В ходе определения зависимостей изменения деформационных искажений, возникающих в результате накопления структурных напряжений в кристаллической структуре и аморфизации, определение которой проводилось на основе изменений интенсивности дифракционных максимумов было определено равновероятное влияние обоих процессов при высокодозном облучении на деградацию приповерхностного поврежденного слоя, а также положительное влияние стабилизирующих компонент на сдерживание аморфизации и деформационного искажения при высокодозном облучении. Анализ изменения прочностных и теплофизических параметров Nd₂Zr₂O₇ керамик, подверженных облучению тяжелыми ионами показал, что добавление в состав керамик стабилизирующих добавок в виде MgO и Y₂O₃ приводит к повышению устойчивости к радиационно-индуцированным процессам разупрочнения и деградации теплопроводности, обусловленных накоплением структурных деформационных искажений и метастабильных включений в поврежденном слое.

1. Eriksen T. E., Shoesmith D. W., Jonsson M. Radiation induced dissolution of UO2 based nuclear fuel – A critical review of predictive modelling approaches // Journal of Nuclear Materials. – 2012. – Vol. 420, No. 1–3. – P. 409– 423.

2. Matzke H. Radiation damage in nuclear fuel materials: the “rim” effect in UO2 and damage in inert matrices for transmutation of actinides // Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, B. – 1996. – Vol. 116, No. 1–4. – P. 121–125.

3. Lipkina K. et al. Metallic inert matrix fuel concept for minor actinides incineration to achieve ultra-high burn-up // Journal of Nuclear Materials. – 2014. – Vol. 452, No. 1– 3. – P. 378–381.

4. Zinkle S. J., Skuratov V. A., Hoelzer D. T. On the conflicting roles of ionizing radiation in ceramics // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2002. – Vol. 191, No. 1–4. – P. 758–766.

5. Hurley D. H. et al. Thermal energy transport in oxide nuclear fuel // Chemical reviews. – 2021. – Vol. 122, No. 3. – P. 3711–3762.

6. Ado M. et al. Effect of radiation and substitution of Ce4+ at Zr site in Y4Zr3O12 using collision cascades: a molecular dynamics simulation study // Journal of Nuclear Science and Technology. – 2023. – Vol. 60, No. 4. – P. 415–424.

7. Thomé L. et al. Radiation effects in nuclear ceramics //Advances in Materials Science and Engineering. – 2012. – Vol. 2012. – No. 1. – P. 905474.

8. Tynyshbayeva K. M. et al. Study of helium swelling and embrittlement mechanisms in SiC ceramics // Crystals. – 2022. – Vol. 12, No. 2. – P. 239.

9. Simeone D. et al. Characterization of radiation damage in ceramics: Old challenge new issues? // Journal of Materials Research. – 2015. – Vol. 30, No. 9. – P. 1495– 1515.

10. Kurapova O. Y. et al. Structure and electrical properties of YSZ-rGO composites and YSZ ceramics, obtained from composite powder // Electrochimica Acta. – 2019. – Vol. 320. – P. 134573.

11. Toulemonde M. et al. Nanometric transformation of the matter by short and intense electronic excitation: Experimental data versus inelastic thermal spike model // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2012. – Vol. 277. – P. 28–39.

12. Ghosh B. et al. Defect Engineering in Composition and Valence Band Center of Y2 (Yx Ru1–x) 2O7− δ Pyrochlore Electrocatalysts for Oxygen Evolution Reaction // Journal of the American Chemical Society. – 2024. – P. 1–10.

13. Sharma S. K. et al. Response of nonstoichiometric pyrochlore composition Nd1.8Zr2.2O7.1 to electronic excitations // Journal of the American Ceramic Society. – 2024. – Vol. 107, No. 1. – P. 561–575.

14. Yuan K., Jin X., Wang X. Phase stability and microstructure evolution of MgO‐ZrO2 and MgO‐6YSZ ceramic fibers // International Journal of Applied Ceramic Technology. – 2020. – Vol. 17, No. 5. – P. 2094–2103.

15. Tang Y. et al. He2 + irradiation response of structural evolution at different depths of MgO-Nd2 (Zr1-xCex) 2O7 composite ceramics used for inert matrix fuel // Ceramics International. – 2024. – Vol. 50, No. 5. – P. 8238–8248.

16. Nandi C. et al. Zr0.70 [Y1-xNdx]0.30 O1.85 as a potential candidate for inert matrix fuel: Structural and thermophysical property investigations // Journal of Nuclear Materials. – 2018. – Vol. 510. – P. 178–186.

17. Nelson A. T. et al. Effect of composition on thermal conductivity of MgO–Nd2Zr2O7 composites for inert matrix materials // Journal of nuclear materials. – 2014. – Vol. 444, No. 1–3. – P. 385–392.

18. Lu X. et al. Heavy-ion irradiation effects on Gd2Zr2O7 ceramics bearing complex nuclear waste // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 771. – P. 973–979.

19. Ghyngazov S. А. et al. Swift heavy ion induced phase transformations in partially stabilized ZrO2 // Radiation Physics and Chemistry. – 2022. – Vol. 192. – P. 109917.

20. Alin M. et al. Study of the mechanisms of the t-ZrO2→ cZrO2 type polymorphic transformations in ceramics as a result of irradiation with heavy Xe22+ ions // Solid State Sciences. – 2022. – Vol. 123. – P. 106791.

21. Schuster B. et al. Response behavior of ZrO2 under swift heavy ion irradiation with and without external pressure // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2012. – Vol. 277. – P. 45–52.

22. Qing Q. et al. Irradiation response of Nd2Zr2O7 under heavy ions irradiation // Journal of the European Ceramic Society. – 2018. – Vol. 38, No. 4. – P. 2068–2073.

23. Kanjilal D. Swift heavy ion-induced modification and track formation in materials // Current Science. – 2001. – P. 1560–1566.

24. Kamarou A. et al. Swift heavy ion irradiation of InP: Thermal spike modeling of track formation // Physical Review B – Condensed Matter and Materials Physics. – 2006. – Vol. 73, No. 18. – P. 184107.

25. Egeland G. W. et al. Heavy-ion irradiation defect accumulation in ZrN characterized by TEM, GIXRD, nanoindentation, and helium desorption // Journal of nuclear materials. – 2013. – Vol. 435, No. 1–3. – P. 77– 87.