Радиационная стойкость наноструктурированных материалов ядерной энергетики и электроники, облучаемых быстрыми тяжелыми ионами в условиях повышенной температуры

Мировой дефицит электроэнергии, а также глобальные изменения климата, связываемые с использованием традиционных углеродных энергетических систем, требуют активации усилий по проектированию и разработке инновационных ядерно-энергетических установок. Разрабатываемое в рамках международных проектов новое IV поколение ядерных реакторов должно не только обеспечить более высокую эффективность производства электроэнергии и обладать большей пассивной безопасностью, но и привести ядерную энергетику к использованию устойчивого замкнутого топливного цикла, в том числе для утилизации радиоактивных отходов, наработанных ранее. Одной из современных тенденций реакторного материаловедения, а также электроники, является разработка наноструктурированных материалов. Так, в качестве перспективных конструкционных материалов для новых реакторов рассматриваются ферритные стали, упрочненные наноразмерными диэлектрическими частицами. Другим перспективным направлением является разработка инновационных композитных видов топлива для нового поколения реакторов. Экстремальные условия эксплуатации, реализуемые в ядерных реакторах, определяют ряд строгих критериев к материалам, в частности к их радиационной стойкости к воздействию нейтронов, альфа-частиц и осколков деления, а также к сохранению механических свойств при повышенных температурах. При этом к настоящему времени воздействие осколков деления на физико-механические свойства кандидатных материалов ядерной энергетики остается наименее изученным по сравнению с другими видами частиц, особенно при повышенной температуре. Одним из наиболее удобных и безопасных методов исследования воздействия осколков деления является использование ускоренных пучков тяжелых ионов в широком интервале масс и энергий, что предоставляет возможность прогнозирования долговременной радиационной стабильности композитных материалов, используемых в ядерно-энергетических установках. Более того, в мировой практике использование высокоэнергетических пучков тяжелых ионов является одной из наиболее новых и перспективных технологий наноразмерной модификации материалов и гетероструктур для приложений электроники. Подобная пространственно-анизотропная структурная модификация не имеет аналогов и может быть использована для производства наноструктурированных материалов, в том числе для приложений электроники. Таким образом, крайне важной и перспективной задачей радиационного материаловедения является исследование поведения поверхностных и интерфейсных областей наночастиц и наноструктурированных материалов ядерной энергетики и электроники при облучении в различных условиях. Этот интерес обусловлен и тем фактом, что кинетика возбуждения и релаксации материалов в треках тяжелых ионов в приповерхностных и интерфейсных областях мишени значительно отличается от таковой в объеме из-за возможного обмена частицами и энергией с окружающей средой. В настоящем проекте для выявления фундаментальных механизмов взаимодействия быстрых тяжелых с перспективными наноструктурированными материалами ядерной энергетики (CeO2, ZrO2, AlN, SiC, MgAl2O4, ДУО сплавы и др.) будет использован комплексный теоретический и экспериментальный подход, который показал успешность и состоятельность в предыдущих исследованиях. Для экспериментальной имитации реакторных условий будут использованы пучки быстрых тяжелых ионов в комбинации с предварительным низкоэнергетическим облучением, а также нагревом до высоких температур. Для послерадиационных структурных и микромеханических исследований будут использованы методы высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии и наноиндентирования. Для количественных исследований будет использована оригинальная мультимасштабная Монте-Карло модель в сочетании с классической молекулярной динамикой, что является одним из наиболее успешных и перспективных подходов в мире в области компьютерного моделирования в материаловедении.