ИЗУЧЕНИЕ КИНЕТИКИ СТРУКТУРНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ В КОМПОЗИТНЫХ CER-CER КЕРАМИКАХ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ТЯЖЕЛЫМИ ИОНАМИ, СРАВНИМЫМИ С ОСКОЛКАМИ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА

В работе представлены результаты оценки изменений структурных, прочностных и теплофизических параметров композитных керамик по типу cer-cer на основе оксидных соединений к радиационным повреждениям, вызванным высокотемпературным облучением тяжелыми ионами Kr¹⁵⁺ и Xe²³⁺. В ходе проведенных исследований установлены взаимосвязи между изменениями структурных параметров, обусловленных деформационным искажением кристаллической структуры и увеличением ее объема, с результатами оценки деградации прочностных и теплофизических параметров. Определено, что увеличение флюенса облучения приводит к накопительному эффекту деградации свойств керамик, при этом в случае облучения тяжелыми ионами Xe²³⁺ эффект структурного разупорядочения и деградации прочностных и теплофизических параметров более выражен, чем в случае облучения ионами Kr¹⁵⁺. Данное явление обусловлено различиями в величинах ионизационных потерь налетающих ионов, а также размерами поврежденных областей, возникающих в результате взаимодействия налетающих ионов с кристаллической структурой поврежденного слоя. При этом наиболее стабильными к радиационно-стимулированным процессам разупрочнения являются двухфазные Al₂O₃ – ZrO₂ керамики, в которых наличие межфазных границ приводит к увеличению сопротивляемости к разупрочнению и деструкции при высокодозном облучении. В качестве механизма сдерживания радиационных повреждений в случае двухфазных керамик рассматривается наличие межфазных границ, выступающих барьерными преградами, останавливающими диффузию точечных и вакансионных дефектов, а также снижающих степень структурного разупорядочения поврежденного слоя. 

1. Golosov O. A. et al. Corrosive and mechanical resistance of MgO ceramics under metallizing and mild chlorination of spent nuclear fuel in molten salts // Ceramics International. – 2021. – Vol. 47, No. 3. – P. 3306–3311.

2. Evarts J. S. et al. Ceramic–Metal (Cermet) Composites: A Review of Key Properties and Synthesis Methods Focused on Nuclear Waste Immobilization // Industrial & Engineering Chemistry Research. – 2024. – Vol. 63, No. 14. – P. 6003–6023.

3. Liu Y. et al. Irradiation response of Al2O3-ZrO2 ceramic composite under He ion irradiation // Journal of the European Ceramic Society. – 2021. – Vol. 41, №. 4. – P. 2883– 2891

4. Alekseeva L. S. et al. Radiation resistance of fine-grained YAG: Nd ceramics irradiated with swift heavy multicharged Ar and Xe ions // Ceramics International. – 2024. – Vol. 50, No. 24. – P. 55251–55262.

5. Wei H. et al. Modeling of irradiation-induced thermomechanical coupling and multi-scale behavior in a fully ceramic-microencapsulated fuel pellet // Journal of Nuclear Materials. – 2021. – Vol. 544. – P. 152673.

6. Zacharie-Aubrun I. et al. Effects of irradiation on mechanical properties of nuclear UO2 fuels evaluated by Vickers indentation at room temperature // Journal of Nuclear Materials. – 2021. – Vol. 547. – P. 152821.

7. D'Agata E. et al. The behaviour under irradiation of molybdenum matrix for inert matrix fuel containing americium oxide (CerMet concept) // Journal of Nuclear Materials. – 2015. – Vol. 465. – P. 820–834.

8. Lee W. E. et al. Opportunities for advanced ceramics and composites in the nuclear sector // Journal of the American Ceramic Society. – 2013. – Vol. 96, No. 7. – P. 2005– 2030.

9. Sauder C. Ceramic matrix composites: nuclear applications // Ceramic matrix composites: materials, modeling and technology. – 2014. – P. 609–646.

10. Bonal J. P. et al. Graphite, ceramics, and ceramic composites for high-temperature nuclear power systems // MRS bulletin. – 2009. – Vol. 34, No. 1. – P. 28–34.

11. Castro L. et al. Thermal analysis of ceramic nuclear fuels for the HPLWR // Annals of Nuclear Energy. – 2019. – Vol. 127. – P. 227–236.

12. Toulemonde M., Bouffard S., Studer F. Swift heavy ions in insulating and conducting oxides: tracks and physical properties // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 1994. – Vol. 91, No. 1–4. – P. 108–123.

13. 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, №. 18. – P. 184107.

14. Naslain R. Design, preparation and properties of nonoxide CMCs for application in engines and nuclear reactors: an overview // Composites Science and Technology. – 2004. – Vol. 64, №. 2. – P. 155-170.

15. Ishikawa N., Taguchi T., Ogawa H. Comprehensive understanding of hillocks and ion tracks in ceramics irradiated with swift heavy ions // Quantum Beam Science. – 2020. – Vol. 4, No. 4. – P. 43.

16. Beauvy M. et al. Damages in ceramics for nuclear waste transmutation by irradiation with swift heavy ions // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2006. – Vol. 242, No. 1–2. – P. 557-561.

17. Rymzhanov R. A. et al. Overlap of swift heavy ion tracks in Al2O3 // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2018. – Vol. 435. – P. 121–125.

18. García G. et al. Amorphization kinetics under swift heavy ion irradiation: A cumulative overlapping-track approach //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2011. – Vol. 269, No. 4. – P. 492–497.