Керамічна модель, що самозцілюється: потенційно корисний матеріал для зберігання ядерних відходів

Нове комп’ютерне моделювання показало поведінку самовідновлення в звичайній кераміці, що може призвести до розробки радіаційно стійких матеріалів для атомних електростанцій та зберігання відходів.

змодельований

Дослідники з Тихоокеанської національної лабораторії Тихоокеанського відділу енергетики виявили, що неспокійне переміщення атомів кисню загоює радіаційні пошкодження в сконструйованому керамічному стабілізованому ітрією цирконію.

Вчені Рам Деванатан і Білл Вебер змоделювали, наскільки добре кераміка та інші матеріали витримують випромінювання. "Якщо ви хочете, щоб матеріал витримував випромінювання протягом тисячоліть, ви не можете очікувати, що він просто там сидітиме і прийме його. Має бути механізм самовідновлення", - сказав Деванатан.

"Це дослідження піднімає можливість проектування рухомих дефектів кераміки для підвищення толерантності до випромінювання", - сказав Вебер. Він зазначив, що матеріали, здатні обробляти високі дози випромінювання, також "можуть покращити довговічність ключового обладнання та зменшити витрати на заміну".

Дослідження підходили до розслідування у три етапи. Спочатку вони проаналізували стабілізований ітрією цирконій - сполука оксидів ітрію та цирконію, що містить випадкові структурні дефекти, які називаються «вакансіями». Дефекти виникають через те, що ітрій має менший електричний заряд, ніж цирконій. Щоб виправити дисбаланс заряду, цирконій віддає атоми кисню. Але втрата цих атомів кисню залишає порожні кисневі ділянки. Решта атомів кисню постійно стрибають і виходять з цих місць.

"Це ніби клас, повний вередуючих дітей", - сказав Деванатан. "Коли вчителька повертається спиною, діти постійно стрибають на порожні стільці, залишаючи вільними свої стільці, поки інша дитина не стрибне на сидіння".

Далі вчені змоделювали атом, що зазнав альфа-розпаду. Альфа-частинка вистрілює з атомного ядра з такою силою, що залишок атома віддає у зворотному напрямку. Атом, що віддаляється, може завдати значної шкоди оточуючим атомним структурам.

Врешті-решт, дослідники використовували алгоритми аналізу даних, розроблені в PNNL, для пошуку атомів, збитих з місця. Результати показали, що витіснені атоми кисню в стабілізованому ітрією диоксиду цирконію "знайшли місця" на раніше існуючих вакансіях по всій кераміці.

Незважаючи на те, що самовідновлення не повністю відновлює матеріал, дефекти менш схильні викликати проблеми, оскільки вони поширюються. Ця характеристика вказує на те, що стабілізований ітрією цирконій, який сьогодні використовується в таких виробах, як твердооксидні паливні елементи та датчики кисню, може бути придатним для ядерних застосувань.

Дослідники також змоделювали вплив радіації на циркон, кераміку, яка є кандидатом для іммобілізації ядерних відходів високого рівня. Дефекти моделювання згруповані в симуляції циркону, змінюючи властивості матеріалу. "Кластеризовані дефекти набагато важче відремонтувати, ніж поодинокі дефекти", - сказав Девананат.

Зараз вчені вдосконалюють моделювання та застосовують їх до інших матеріалів.

Управління фундаментальних енергетичних наук DOE профінансувало дослідження, проведене на масово паралельних суперкомп'ютерах в лабораторії молекулярних наук про навколишнє середовище імені Вільяма Р. Уайлі (EMSL) при PNNL та Національному науково-комп'ютерному центрі з питань енергетики в Національній лабораторії Лоуренса Берклі.

Довідково: Рам Деванатан і Вільям Дж. Вебер. "Динамічний відпал дефектів опроміненої кераміки на основі цирконію", опублікований у Journal of Materials Research, березень 2008 р., 23 (3): 593-597.