La structure cristalline du grenat yttrium-aluminium. Crédit :Université Lobatchevsky
Les efforts de recherche conjoints d'une équipe de scientifiques de l'Université Lobatchevsky de Nijni Novgorod (UNN) comprenant des chimistes, physiciens et ingénieurs s'attachent actuellement à résoudre les problèmes de manipulation du plutonium et des actinides mineurs (AM) accumulés depuis de nombreuses années. À cette fin, ils étudient les matériaux composites céramique-céramique (Cer-Cer) et céramique-métal (CerMet) à base de composés de type minéral (notamment, minéraux de grenat). Les chercheurs de l'Université Lobatchevsky pensent que la solution optimale au problème consiste à créer des matrices de combustible inerte composites céramiques à haute densité (IMF) pour brûler le plutonium et transmuter les actinides mineurs.
Ludmila Golovkina, Responsable du Laboratoire de Chimie du Solide UNN, constate qu'en plus de tous leurs avantages du point de vue des applications en électronucléaire, les céramiques minérales à base de grenat présentent certains inconvénients, y compris leur faible conductivité thermique et leur faible ténacité à la rupture. Une faible conductivité thermique peut entraîner une augmentation supplémentaire de la température due à la chaleur radiogénique, ce qui entraîne une stabilité chimique inférieure. Une faible ténacité à la rupture induit une microfracture, ce qui crée des surfaces ouvertes et réduit la stabilité chimique (hydrolytique) de la céramique.
"À cet égard, l'idée de créer des composites « céramique-céramique » et « céramique-métal » semble très prometteuse. Avec le bon choix de composants dans un tel matériau, la deuxième phase (céramique ou métallique) pourrait apporter à la fois une augmentation de la conductivité thermique et une augmentation de la ténacité, " explique Ludmila Golovkina.
Une équipe de chercheurs sous la direction du Dr Albina Orlova, professeur du Département de chimie du solide et chercheur principal de l'Institut de recherche en physique et technologie de l'UNN, a produit et étudié des composites à grains fins à base de Y
Schéma de l'appareil de frittage Spark Plasma :schéma général (a); placement de l'échantillon dans un moule (b). Crédit :Université Lobatchevsky
Selon le professeur Albina Orlova, une nouvelle méthode chimique et métallurgique a été développée et appliquée pour déposer de fines couches métalliques à la surface de particules de grenat submicroniques synthétisées, tandis que le frittage plasma à étincelles à grande vitesse a été utilisé pour fritter les matériaux en poudre et pour produire les céramiques. C'est une voie prometteuse pour produire des céramiques et des composites en chauffant des poudres à haute cadence, en passant des impulsions CC de haute puissance (jusqu'à 5000 A) en millisecondes et en appliquant simultanément la pression requise.
Les scientifiques ont étudié en détail les caractéristiques du frittage à plusieurs étages à grande vitesse de ces composites. Il a été montré que le processus de frittage des composites se compose de deux étapes :à la première étape, le processus de densification est associé à l'écoulement plastique de la matière, et à la deuxième étape, il se produit en raison de la diffusion dans le réseau cristallin du grenat.
À la suite des recherches effectuées par l'équipe du professeur Orlova, Des compositions céramiques « grenat-métal » et « grenat-carbure de silicium » de densité relative élevée (92-99 % de la valeur théorique pour le « grenat-métal » et 98 à 99 % pour les composites « grenat-SiC ») ont été obtenues.
Diagrammes de frittage pour composites YAG-SiC à grains fins :dépendances du retrait (a) et du taux de retrait (b) sur la température de chauffage. Crédit :Université Lobatchevsky
"Ainsi, nous pouvons assurer une dureté élevée et une ténacité à la rupture des composites, ainsi que leurs propriétés thermophysiques élevées, en particulier, conductivité thermique dans la gamme de températures proches des températures que ces matériaux connaîtront lorsqu'ils seront utilisés dans les nouveaux réacteurs à neutrons rapides. Toutes choses égales par ailleurs, cela réduira la probabilité et l'intensité de destruction des céramiques dans le processus de fonctionnement du réacteur, ", dit Albina Orlova.
Les résultats de ces études ont été publiés dans des revues Bulletin de recherche sur les matériaux (2018, v.103, p.211-215) et Chimie et physique des matériaux (2018, v. 214, p. 516-526).
La prochaine étape de ce travail sera d'étudier la stabilité aux radiations des nouveaux composites et leur résistance aux chocs thermiques. Ainsi, l'équipe de recherche se rapprochera encore plus du développement d'une méthode fondamentalement nouvelle de production de combustible pour les réacteurs à neutrons rapides et de la résolution du problème de l'immobilisation des composants des déchets hautement radioactifs en les isolant de manière sûre de la biosphère.
