ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ТЯЖЕЛЫМИ ИОНАМИ В CeO2 КЕРАМИКАХ НА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
DOI:
https://doi.org/10.52167/1609-1817-2023-127-4-480-490Ключевые слова:
диоксид церия, радиационные повреждения, структурные искажения, теплофизические свойства, дисперсное ядерное топливо, инертные матрицыАннотация
В работе представлены результаты исследований влияния радиационных повреждений, связанных с деформационным искажением и последующей аморфизацией при высокодозном облучении тяжелыми ионами Kr15+ и Xe22+ на изменение теплофизических параметров CeO2 керамик. Выбор CeO2 керамик в качестве объектов исследования обусловлен перспективами использования их в качестве основы для материалов инертных матриц в дисперсном ядерном топливе, что позволяет расширить спектр применения данных материалов в ядерной энергетике. Облучение тяжелыми ионами Kr15+ и Xe22+ в свою очередь позволяет моделировать процессы радиационно-индуцированных повреждений в керамиках, сравнимых с воздействием осколков деления ядерного топлива в активной зоне реактора в процессе его эксплуатации. При этом исследование влияния радиационно-индуцированных повреждений в керамиках на изменение теплофизических свойств, в частности, теплопроводности, имеет весьма важное значение для понимания процессов эксплуатации, а также определения границы применимости данных типов керамик в качестве материалов предотвращающих диффузию радиоактивных продуктов распада ядерного топлива в процессе эксплуатации. В ходе исследования установлено, что основные изменения теплопроводности, связаны с ухудшением процессов фононного теплопереноса, обусловленного деструктивным деформационным искажением кристаллической структуры приповерхностного слоя керамик, приводящему к частичной аморфизации. При этом установлено, что в случае облучения тяжелыми ионами Kr15+ керамики более устойчивы к деструктивному изменению теплопроводящих свойств, чем в случае облучения тяжелыми ионами Xe22+.
Библиографические ссылки
[1] Ye B. et al. Fabrication of size-controlled CeO2 microparticles by a microfluidic sol–gel process as an analog preparation of ceramic nuclear fuel particles //Journal of Nuclear Science and Technology. – 2013. – Vol. 50, №. 8. – P. 774-780.
[2] Fernandez S. et al. CeO2 pellet fabrication as spent fuel matrix analogue //Journal of the European Ceramic Society. – 2016. – Vol. 36, №. 14. – P. 3505-3512.
[3] Stennett M. C. et al. Preparation, characterisation and dissolution of a CeO2 analogue for UO2 nuclear fuel //Journal of Nuclear Materials. – 2013. – Vol. 432, №. 1-3. – P. 182-188.
[4] Song T. et al. Influences of heating processes on properties and microstructure of porous CeO2 beads as a surrogate for nuclear fuels fabricated by a microfluidic sol-gel process //Nuclear Engineering and Technology. – 2019. – Vol. 51, №. 1. – P. 257-262.
[5] Tian W. et al. Fabrication of CeO2 ceramic spheres as a surrogate of nuclear fuel by an improved microwave-assisted rapid internal gelation process //Ceramics International. – 2018. – Vol. 44, №. 6. – P. 6739-6746.
[6] Nelson A. T. et al. An evaluation of the thermophysical properties of stoichiometric CeO2 in comparison to UO2 and PuO2 //Journal of the American Ceramic Society. – 2014. – Vol. 97, №. 11. – P. 3652-3659.
[7] Giniyatova S. G. et al. Research of Structural, Strength and Thermal Properties of ZrO2—CeO2 Ceramics Doped with Yttrium //Crystals. – 2022. – Vol. 12, №. 2. – P. 242.
[8] Bao Z., Li H., Cui A. Lattice thermodynamic behavior in CeO2 from first principles //Physics Letters A. – 2022. – Vol. 423. – P. 127769.
[9] Jiang W. et al. In situ study of particle precipitation in metal-doped CeO2 during thermal treatment and ion irradiation for emulation of irradiating fuels //The Journal of Physical Chemistry C. – 2019. – Vol. 123, №. 4. – P. 2591-2601.
[10] Grover V. et al. Effect of grain size and microstructure on radiation stability of CeO 2: an extensive study //Physical Chemistry Chemical Physics. – 2014. – Vol. 16, №. 48. – P. 27065-27073.
[11] Morozov V. N. et al. The Prospects of Metal Oxide Nanoradiosensitizers: The Effect of the Elemental Composition of Particles and Characteristics of Radiation Sources on Enhancement of the Adsorbed Dose //Biophysics. – 2020. – Vol. 65. – P. 533-540.
[12] Ivanov I. A. et al. Study of the Effect of Y2O3 Doping on the Resistance to Radiation Damage of CeO2 Microparticles under Irradiation with Heavy Xe22+ Ions //Crystals. – 2021. – Vol. 11, №. 12. – P. 1459.
[13] Cureton W. F. et al. Grain size effects on irradiated CeO2, ThO2, and UO2 //Acta Materialia. – 2018. – Vol. 160. – P. 47-56.
[14] Grygorova G. et al. Cerium dioxide CeO 2-x and orthovanadate (Gd 0.9 Eu 0.1 VO 4) nanoparticles for protection of living body from X-ray induced damage //Nanomaterials for security. – Springer Netherlands, 2016. – P. 289-296.
[15] Zdorovets M. V., Kozlovskiy A. L. Study of the stability of the structural properties of CeO2 microparticles to helium irradiation //Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 383. – P. 125286.
[16] O’Connell J. H. et al. Latent tracks and associated strain in Al2O3 irradiated with swift heavy ions //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. – 2016. – Vol. 374. – P. 97-101.
[17] 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, №. 4. – P. 492-497.
[18] 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, №. 1-4. – P. 108-123.
[19] Zhumazhanova A. et al. Raman Study of Polycrystalline Si3N4 Irradiated with Swift Heavy Ions //Crystals. – 2021. – Vol. 11, №. 11. – P. 1313.
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2023 Руслан Рспаев, Алексей Труханов, Шолпан Гиниятовa, Артем Козловский
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial-NoDerivatives» («Атрибуция — Некоммерческое использование — Без производных произведений») 4.0 Всемирная.
