Керамические композиты на основе керамики благодаря своим уникальным физико‑химическим и физико‑механическим свойствам обладают значительным потенциалом применения в области стабилизации и изоляции ядерных отходов. В частности, материалы на основе системы ZrSiO4–ZrO2… Керамический композитный материал Они не только демонстрируют превосходную химическую стабильность и термодинамические свойства, но и обладают низкой теплопроводностью и хорошей стойкостью к термическому удару. Эти характеристики делают их идеальными для закрепления и изоляции высокоактивных радиоактивных отходов ( ХЛВ ) Идеальные кандидатные материалы для актиноидов и редкоземельных элементов.

Однако в научной литературе данные о физико‑химических и физико‑механических свойствах керамических композитов системы ZrSiO4–ZrO2 относительно ограничены. Несмотря на то что ранее было показано, что керамические матрицы с содержанием ZrO2 обладают высокими радиационной, термодинамической и химической стабильностями, влияние условий синтеза и спекания этих материалов на их свойства, а также их долгосрочная стабильность в реальных эксплуатационных условиях требуют дальнейшего изучения. Поэтому углублённое исследование методов синтеза, поведения при спекании, термических свойств и химической стабильности керамических композитов ZrSiO4–ZrO2 имеет важное значение для разработки новых материалов для кондиционирования ядерных отходов.

В ответ на вышеуказанные проблемы зарубежные исследовательские группы использовали разработанный компанией «ZEPTOOLS» настольный прибор ZEM18. Сканирующий электронный микроскоп Было проведено углублённое исследование, Они получили наноразмерные порошки методом золь–гель и создали керамические композиты на основе циркония и оксида циркония, с целью оценить их пригодность в качестве матрицы для отверждения во всём диапазоне концентраций ZrO2, особенно в отношении таких свойств, как теплопроводность, термическое поведение и химическая стабильность. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале «Refractories and Industrial Ceramics» под названием «Керамические композиты на основе циркона и диоксида циркония»; полная версия статьи доступна по ссылке: https://doi.org/10.1007/s11148-024-00877-7

Основное содержание данной работы сосредоточено на разработке и оценке керамических композитов на основе циркония и диоксида циркония состава (1–x)ZrSiO4–xZrO2, обладающих низкой теплопроводностью и пригодных в качестве матриц для закрепления и изоляции актиноидов и редкоземельных элементов в высокоактивных радиоактивных отходах (HLW). Исследовательская группа получала эти композиты путём спекания наноразмерных порошков в диапазоне температур от 1000 до 1300 °C и применяла комплексный набор экспериментальных методов для всестороннего анализа их физико‑химических и термических свойств.

Основная часть исследования включает электронно‑микроскопический анализ разрушённых поверхностей керамических образцов после спекания с целью изучения их микроструктуры и возможных дефектов. Кроме того, термическое расширение образцов было исследовано с помощью дилатометра для оценки стабильности материала при изменении температуры. Измерение теплопроводности осуществлялось методом лазерного импульсного нагрева в диапазоне температур от 25 до 250 °C с целью оценки теплоизоляционных свойств материала.

Для оценки химической стабильности материала исследователи также провели экстракционные испытания, обработав образцы композитного материала дистиллированной водой с целью имитации химической коррозии, которой материал может подвергаться в реальных условиях. Измеряя концентрации циркония и кремния в экстракционном растворе, учёные смогли рассчитать химическую стойкость материала — ключевой параметр, определяющий его пригодность в качестве контейнерного материала для долгосрочного хранения ядерных отходов.

В целом, цель данного исследования — разработать высокопроизводительные керамические композитные материалы для солидификации и изоляции ядерных отходов; такие материалы характеризуются стабильностью физических и химических свойств, низким уровнем экологического риска и способны обеспечивать долгосрочное безопасное хранение и изоляцию радиоактивных отходов. Полученные результаты служат научным обоснованием применения этих керамических композитов в качестве перспективных материалов для солидификации ядерных отходов и закладывают основу для их дальнейшего применения и последующих исследований.

Компания «ZEPTOOLS», являющаяся ведущим китайским производителем высокоточных приборов, выпускает продукцию под брендом ZEM. Серия настольных сканирующих электронных микроскопов объединяет ряд собственных инновационных ключевых технологий, сочетая высокое качество изображения с компактностью и удобством эксплуатации, что отвечает требованиям широкого спектра применений. Являясь первым в стране настольным СЭМ‑микроскопом, действительно достигшим уровня высокого класса и представленным в виде серии, линейка ZEM по таким показателям, как разрешение изображения, удобство работы и степень интеграции системы, соответствует международному передовому уровню. На нижнем рисунке — настольный сканирующий электронный микроскоп ZEM18, использованный в рамках данного исследования: