Фундаментальные основы химической инженерии новых функциональных материалов адаптивных для ядерных и радиационных технологий.

Объектом исследования являются функциональные материалы уникальных композиций с регулируемыми свойствами и улучшенными эксплуатационными характеристиками, ориентированные на создание критически важных изделий для отечественных ядерных и радиационных технологий в интересах развития атомной отрасли. Цель работы заключается в изучении физико-химических принципов высокотехнологичного синтеза новых дисперсных и керамических материалов, в том числе наноматериалов, основанного на технологиях мокрой химии и твердофазных процессов, с целью достижения прецизионного контроля характеристик и регулирования таких функциональных свойств, как сорбционная селективность, каталитическое гетерофазное окисление, иммобилизационная способность, сцинтилляционная эффективность, активационный и поглотительный отклик на ионизирующее воздействие, радиационно-химическая и высокотемпературная устойчивость. Результаты работы ориентированы на создание критически важных изделий для ядерных и радиационных отечественных технологий. Разработаны оригинальные способы гидротермального синтеза, гомогенного прямого и обратного осаждения, золь-гель синтеза сорбционных материалов класса слоистых двойных гидроксидов на основе Zn и Al (система Zn-Al-СДГ) магнитного типа, органо-неорганических композитов на основе смешанных ферроцианидов K-Co в составе с полиэтиленом, каркасных титаносиликатов структурного типа CST (Na1,64H0,36Ti2O3SiO4(H2O)1,84), которые представляют собой новые селективные сорбенты для извлечения радионуклидов 235,238U, 137Cs и 90Sr при переработки РАО. Разработаны высокоэффективные способы изготовления высокодисперсного прекерамического сырья с высокой сорбционной емкостью по отношению к радионуклидам 137Cs, 90Sr и 60Co с применением гидротермального синтеза на основе структурированных алюмосиликатов (цеолит типа NaY), алюмосиликатных микросфер (ценосферы) золы уноса и мезопористого силиката кальция CaSiO3, полученного из отходов производства борной кислоты. На основе указанного прекерамического сырья разработаны новые высокоплотные керамические материалы в виде минералоподобных керамических матриц (состава поллуцита CsAlSi2O6, геленита Sr2Al2SiO7 и силиката CaCoSi2O6), перспективные для изготовления матриц-иммобилизаторов радионуклидов для технологий обращения с РАО и производства источников ионизирующего излучения для радиационных технологий. Разработан оригинальный сопосб реакционного спекания механоактивированного керамического композита состава Mo2C/Mo3Co3C, перспективного для применения в цикле решения электрохимических задач с целью реализации возможности изготовления на их основе активных компонентов гетероструктурированных электродов, используемых для выделения водорода, а также для топливных элементов автономных источников электроэнергии для объектов атомной промышленности. Разработан способ твердофазного синтеза нанокристаллического люминофора Gd2O2S:Tb (средний размер кристаллитов 26 нм и вторичный размер частиц 26 мкм), с применением реакционного искрового плазменного спекания, перспетивного материала для преобразования рентгеновского и гамма-излучения в видимый свет. Синтезированы квантовые точки перовскита CsPb(BrxI1-x)3 в составе стекла с настраиваемым излучением и цветопередачей, перспективных для области лазерной проекции, детектирования ионизирующего излучения, рентгеновской визуализации и др., с достигнутой высокой термической стабильностью стекла, которая при термоциклировани сохраняет интенсивность света на уровне 80.23 и 88.35% в зависимости от стехиометрии перовскита. Разработано устройство цветного колеса (“phosphor wheel”) и в условиях возбуждения синим лазером экспериментально доказан широкий диапазон цветопередачи полученного стекла, близкий к современным эталонным стандартам. Реализован подход в изготовлении керамических композиционных материалов на основе моделей лунного реголита в рамках реализации стратегии «“in situ” resource utilization», которая выбрана как основополагающая для реализации программы строительства лунных баз. Предложена эффективная технология искрового плазменного спекания для формирования керамических материалов высокой плотности, прочности, твердости, которые в перспективе могут быть использованы в качестве конструкционного и строительного материала, устойчивого к ионизирующему излучению в условиях космоса. Разработан твердого спалва системы Cr3C2-10%Co с высокой механической устойчивостью и износостойкостью. Сплав пригоден для создания конструкционных узлов оборудования, включая ядерные и радиационные установки с высокой безопасностью их эксплуатации и режущего инструментария для обработки конструкционных изделий. Возможное практическое применение полученных результатов следует считать перспективным, так как сорбционные материалы, полученные оригинальными способами синтеза, ориентированы на очистку водных сред, включая морскую воду, от радионуклидов, а также для очистки растворов от тяжелых металлов и органических загрязнителей. Керамические минералоподобные материалы ориентированы на надежную иммобилизацию теплогенерирующих радионуклидов 137Cs, 90Sr и 60Co для технологий обращения и захоронения РАО, а также для производства радиоизотопной продукции. Новые нанокристаллические и керамические люминофоры и сцинтиляторы, а также гетерострукутрные керамические композиты с высокой чувствительностью и откликом к ионизирующему излучению, а также электрохимической активностью, могут стать основной производства устройств и приборов для: радиационного контроля и дозиметрии ионизирующего излучения; медицинской визуализации, преобразования рентгеновского излучения в видимый свет; радиационной стерилизации; генерации водорода в генераторах и топливных элементах автономных источников электроэнергии объектов атомной промышленности, энергоэффективного освещения и др. Конструкционные и строительные керамические композиты представляют основу инновационных технологий создания технических и технологических объектов, эксплуатирующихся в условиях космоса, невесомости, при воздействии космического ионизирующего излучения. Полученные результаты являются новыми и расширяют области знаний наук о материалах и современного материаловедения, включают ранее неизвестные фундаментальные основы мокрой химии и твердофазного синтеза с применением современных технологий осадительного и гидротермального синтзеа, искрового плазменного спекания и реакционного спекания, механоактивации, с учетом комплексного изучения физико-химических закономерностей, влияющих на формирование уникальных характеристик и функциональных свойств материалов, способных повысить безопасность и эффективность атомной отрасли, включая радиационные технологии. В рамках работ по второму этапу проекта выполнены все заявленные индикаторы. Подготовлено и опубликовано 15 научных статей в ведущих российских и зарубежных журналах, рецензируемых базами данных Scopus и Web of Science, в том числе в журналах «Белого списка» (из них 12 статей в журналах Q1 и Q2), опублкиовано 6 тезисов докладов конференций. Подготовлены и защищены 2 ВКР в виде магистерских диссертаций. Подготовлен материал для будущей защиты 2 научных диссертаций.