Experimental study and multiscale modeling of latent tracks structure in radiation resistant dielectrics

(JINR First Prize 2020 for Applied Research)
V. Skuratov, R. Rymzhanov, A. Volkov, A. Ibraeva, N. Kirilkin, N. Medvedev, J. O’Connell, A. janse van Vuuren, J. Neethling, M. Zdorovets

Исследования и моделирование структуры латентных треков в радиационно-стойких диэлектриках
(первая премия ОИЯИ за 2020 год в номинации “Научно-технические прикладные работы” )
В. А. Скуратов, Р. А. Рымжанов, А. Е. Волков, А. Д. Ибраева, Н. С. Кирилкин, Н. Медведев, Ж. О’Коннелл, А. Янсе Ван Вуурен, Я. Ниитлинг, М. В. Здоровец

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. Именно к такому вектору развития мировой энергетики призывает Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) [1]. Разрабатываемое в рамках международных проектов под патронажем МАГАТЭ 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 частности, предполагается, что новые реакторы на быстрых нейтронах позволят использовать в качестве топлива (и таким образом утилизировать) радиоактивные отходы, наработанные десятилетиями функционирования атомных энергетических станций предыдущих поколений.

Одним из направлений развития современных ядерных реакторов является разработка новых композитных видов топлива, особым требованием к которым предъявляется высокая степень устойчивости к аварийным ситуациям. В качестве необходимых характеристик при этом, выделяется высокая теплопроводность компонентов для уменьшения температуры сердечника топливных элементов, высокая радиационная стойкость, а также инертность к образованию радиоактивных изотопов при облучении нейтронами, образующимися при делении ядерного топлива. В роли перспективных компонентов (еще называемых инертными матрицами) такого топлива, обладающих указанными характеристиками, рассматриваются керамические диэлектрические материалы на основе оксидов и карбидов.

Введение новых типов материалов для использования в инновационных реакторах требует систематических исследований их радиационной стойкости, так как в процессе эксплуатации они подвергаются воздействию потоков частиц (нейтронов, альфа-частиц и осколков деления). Стоит отметить, что к настоящему времени воздействие осколков деления на физико-механические свойства кандидатных материалов ядерной энергетики остается наименее изученным по сравнению с другими видами частиц. Частично это обусловлено и тем, что подобные исследования возможны только с помощью высокоэнергетических ионных пучков, которые могут быть получены на специализированных установках, функционирующих только в крупных мировых научных центрах, таких как ОИЯИ и Институт ядерной физики Республики Казахстан.

Особенностями взаимодействия тяжелых ионов высоких энергий, которые могут моделировать воздействие осколков деления, с твердыми телами является экстремально высокий уровень ионизации вещества в узкой и протяженной области. Это, с одной стороны, формирует еще одно перспективное прикладное направление, связанное с использованием пучков тяжелых ионов в качестве инструмента для наноразмерной модификации материалов и гетероструктур. С другой стороны, такие особенности возбуждения вещества создают принципиальные трудности для фундаментального изучения процессов происходящих при облучении твердых тел высокоэнергетическими ионами.

В настоящем цикле работ представлены результаты исследований радиационной стойкости и изменения физико-механических свойств в керамических материалах, рассматриваемых на роль инертных матриц для перспективных видов ядерного топлива. Исследования проводились международной группой ученых на ускорителях циклотронного комплекса Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ и DC-60 (Нур-Султан, Казахстан), на установках университета Нельсона Манделы (Порт-Элизабет, ЮАР). Теоретическое описание и моделирование особенностей взаимодействия тяжелых ионов проводилось в рамках международного сотрудничества НИЦ «Курчатовский институт», Физическим институтом им. П. Н. Лебедева и Институтом физики плазмы Чешской академии наук (Прага, Чехия).

Одним из ярких результатов работы, полученных с помощью экспериментальных и численных методов, является демонстрация процессов восстановления исходной структуры в дефектных областях, создаваемых ионами высоких энергий, в отдельном классе радиационно-стабильных материалов (например, оксид алюминия, оксид магния) [2]. Такое восстановление или рекристаллизация решетки в значительной степени влияет на радиационную стойкость керамических твердых тел, особенно при больших дозах облучения. Более того, такие процессы могут приводить и к уменьшению количества дефектов в уже имеющейся поврежденной структуре [3]. Кинетика образования повреждений и морфология структурных изменений в диэлектриках при облучении изучены в широком диапазоне широком интервале доз и температур, масс и энергий ионов [4,5], что позволяет прогнозировать физико-механические свойства рассматриваемых материалов в долгосрочной перспективе.

Исследования процессов формирования дефектных структур на поверхности различных диэлектриков показали различия в кинетике формирования дефектов на поверхности аморфизуемых и неаморфизуемых материалов [6]. Установлено, что формируемые облучением бугорки могут являться кристаллическими и эпитаксиальными с исходной кристаллической поверхностью, что предполагает процесс рекристаллизации, инициированный на поверхности [7]. Стоит отметить, что наиболее чувствительной зоной к облучению высокоэнергетическими тяжелыми ионами является приповерхностная область твердых тел, а также интерфейсная область материал-топливо в многокомпонентных и многослойных структурах. Поэтому, экспериментальное, аналитическое и численное исследование влияния облучения быстрыми тяжелыми ионами [8] на возможную модификацию массивных образцов, а также областей на границе раздела сред в композитных материалах энергетики и электроники является необходимой и актуальной задачей радиационного материаловедения.

Согласно авторам полученные в работе результаты могут быть положены в основу новых методов дизайна композитных видов ядерного топлива и наноструктурных электронных компонент, а также для долговременного прогнозирования радиационной стойкости перспективных материалов ядерной энергетики.