Решение актуальных задач с использованием пучков заряженных частиц комплекса NICA

Цель НИР – проведение экспериментов в области радиационного материаловедения и тестирования радиационной стойкости функциональных материалов на комплексе NICA. Реализация этой цели предполагает проведение исследований по следующим актуальным направлениям: получение опытных образцов нового функционального композитного материала на основе минеральных волокон с наполнителем в виде измельченной магматической породы для создания контейнеров для захоронения радиоактивных отходов 2-го класса; изучение влияния на свойства ультравысокотемпературных керамических материалов на основе систем ZrB2-SiC и HfB2-SiС (химический и фазовый состав, механические свойства, стойкость к окислению и др.) воздействия - и -излучения и потоков тяжелых ионов, в некотором приближении имитирующих нахождение и работу в условиях космоса; получение новых данных о радиационной стойкости и радиационно-стимулированных изменениях в структуре, магнитном упорядочении и теплофизических свойствах керамических материалов на основе ферритов с различной кристаллической решеткой (эти сведения позволят расширить представление о возможностях практического применения исследуемых материалов в условиях воздействия потока высокоэнергетических частиц различной природы, энергии и плотности); изучения воздействия тяжелых ионов на кристаллическую структуру и влияния на характеристики структурных переходов для близких по термодинамическим характеристикам сложных оксидов, перспективных для создания материалов для иммобилизации радиоактивных веществ и защитных покрытий; выявление ключевых особенностей взаимодействия высокоэнергетических заряженных частиц с высокопористыми материалами на основе аэрогелей (неорганических и полимерных), включая изменение их химического состава, а также физико-химических и функциональных свойств. Полученные результаты позволят предложить типы аэрогелей, наиболее перспективные для использования в качестве защитных и теплоизолирующих материалов в условиях воздействия ионизирующих излучений. Выполнение планируемых исследований с использованием пучков заряженных частиц комплекса NICA направленно на решение актуальных задач в области неорганической химии и материаловедения. Одна из ключевых проблем развития ядерной энергетики заключается в образовании радиоактивных отходов (РАО) и необходимости безопасного обращения с ними. Для наиболее опасных отходов 1-го и 2-го классов в настоящее время предусматривается создание пункта глубинного захоронения радиоактивных отходов (ПГЗРО) в Нижнеканском горном массиве, сложенном стабильными и малопроницаемыми гранитоидными формациями. Однако вопрос упаковки для РАО указанных классов не имеет окончательного решения даже в части выбора конструкционного материала. В роли перспективной альтернативы используемым материалам для изготовления контейнеров предлагается новый композитный материал на основе композита на основе базальтовых волокон с наполнителем из измельченных магматических горных пород габбро-базальтовой группы. Исходные магматические породы характеризуются высокой механической прочностью, твердостью (около 8 по шкале Мооса), кислото- и щелочестойкостью что делает их совместимыми с условиями геологической среды ПГЗРО. В рамках НИР будет решаться задача, связанная с разработкой материалов, перспективных в области освоения космического пространства. В настоящее время созданию материалов, работоспособных при аэродинамическом нагреве до сверхвысоких температур в атмосферах, состав которых значительно отличается от Земной, уделяется большое внимание. Однако помимо непосредственного воздействия высокоскоростных газовых потоков, имеются данные, что нейтронное излучение или потоки тяжелых ионов для карбидокремниевой керамики даже при умеренных температурах способны приводить к изменению не только фазового и химического состава, но и связанных с этим функциональных свойств. Сведений о поведении под воздействием облучения ионными потоками базовых компонентов ультравысокотемпературной керамики (ZrB2, HfB2) в открытой литературе не найдены. В связи с этим актуальной задачей является изучение воздействия на керамику на основе систем ZrB2-SiC и HfB2-SiС потоков тяжелых ионов, - и -излучения, в некотором приближении имитирующих нахождение в условиях космоса. Важным направлением планируемых исследований также является создание новых магнитоэлектронных устройств и систем, предназначенных для работы на объектах атомной энергетики и в качестве бортовой аппаратуры космических аппаратов. Материалы, применяемые при создании таких устройств, должны соответствовать ряду требований, среди которых стабильность магнитных и диэлектрических свойств, устойчивость к колебаниям температуры и повреждениям, вызываемым воздействием заряженных частиц различной природы, энергии и плотности. Термически стабильные соединения, отвечающие этим критериям, немногочисленны, поэтому направление их поиска сосредоточено на ферритах, сочетающих в себе одновременно высокие диэлектрические и магнитные характеристики. Исследование в рамках НИР направлено на разработку комплекса методик синтеза ферритовых материалов и получение новых сведений о характере влияния облучения пучками заряженных частиц на их структуру и функциональные характеристики. Особое внимание при реализации НИР планируется уделить изучению свойств сложных оксидов, в том числе высокоэнтропийных, с различной структурой для применения их в качестве матриц для захоронения твердых радиоактивных отходов, а также потенциальных компонентов защитных покрытий авиакосмической техники, энергетических установок и других материалов современной техники. При создании таких материалов уделяется основное внимание температуре плавления, отсутствию фазовых превращений в широком температурном диапазоне, химическая стойкость и пр. В связи с этим важным является изучение процесса нарушения кристаллической структуры вещества (аморфизации) под действием высокоэнергетического облучения, поскольку это значительно ухудшает термомеханические свойства и снижает химическую стойкость матриц для захоронения. Кроме того, высокоэнергетическое воздействие позволяет смоделировать поведение защитных покрытий в экстремальных условиях. Высокая значимость и перспективность работы определяется также тем, что уникальные физические характеристики материалов на основе аэрогелей позволяют использовать их для создания высокоэффективных теплоизоляционных и защитных материалов. Такие материалы могут быть созданы на основе неорганических (например, SiO2) или органических и биополимерных (целлюлоза, найлон, полиэтилен) матриц, и они обладают высокой пористостью (выше 95%), удельной поверхностью (свыше 100 м2г–1) и геометрической плотностью (от 10 мгсм–3). Для ряда важных областей практического использования аэрогелей (космические исследования, тепло- и электроизоляционные материалы для экстремальных условий, нейтронпоглощающие покрытия) крайне важным является детальный анализ их взаимодействия с высокоэнергетическими заряженными частицами (в т.ч. тяжелыми нуклонами, электронами, протонами, нейтронами). Несмотря на имеющийся фрагментарный задел в этой области, относящийся исключительно к аэрогелям на основе SiO2, информация о соответствующих направленных поисковых работах в литературе отсутствует. При решении задач НИР в 2024 г. будут получены следующее результаты: - будет выполнена оценка воздействия различных внешних факторов, в том числе, экспозиции под пучком ускоренных ионов на значимые параметры опытных базальтовых образцов; - будет разработан энергоэффективный метод изготовления ультравысокотемпературной керамики, содержащей дибориды циркония и гафния, модифицированной образующейся in-situ фазой карбида кремния, что является актуальным для снижения затрат, необходимых для формирования высокоплотных материалов на основе сверхтугоплавких соединений, имеющих температуры плавления/деструкции ~2800-3300 С; будут исследованы их элементный и фазовый состав, микроструктура, термическое поведение в токе воздуха при нагреве в интервале температур 20-1200 С; будет получена новая информация о поведении материалов HfB2(ZrB2)-SiC под воздействием бета-, гамма-излучения или потоков тяжелых ионов: исследованы степень поверхностной аморфизации, возможность протекания фазовых и химических превращений, изменение стойкости образцов к окислению; - будет установлена взаимосвязь между составом, плотностью и энергией ионизирующего излучения, и изменениями (механическими, структурными и/или фазовыми), вызванными в исследуемых ферритах, а также выявлен характер влияния ионизирующего излучения на тепловые и функциональные свойства исследуемой керамики; практическая значимость предполагаемых результатов определяется возможностью создания особого класса магнитоэлектрических материалов, способных к сохранению своих функциональных характеристик после облучения пучками заряженных частиц различной природы и энергии; - будут получены данные по параметрам синтеза для получения наноразмерных и кристаллических образцов твердых растворов титанатов РЗЭ, включая высокоэнтропийные; будут определены последствия воздействия потока тяжелых ионов с высокими энергиями на разупорядочение структуры твердых растворов и их распад; - будут получены серии монолитных образцов аэрогелей различных классов (неорганические и органические; кристаллические и рентгеноаморфные); проведены пилотные испытания с использованием высокоэнергетичных пучков заряженных частиц. Будут определены ключевые физико-химические характеристики полученных материалов (в первую очередь, текстурные параметры). Указанные результаты будут способствовать развитию актуальных направлений исследований в области неорганической химии и материаловедения химии координационных соединений, материаловедения, химической технологии, будут востребованы для практического применения в различных областях науки и техники (таких как нанотехнологии, медицина, электроника, космонавтика, ресурсо- и энергосберегающие технологии и др.), в том числе для устранения опасной зависимости от зарубежных стратегически важных товаров и производств.