Одной из перспективных задач ядерной энергетики является увеличение срока службы Атомных электростанций с 5 до 20 лет. При этом многие ученые трудятся над увеличением срока работоспособности топливных элементов, но нужно также и создание регулирующих материалов нового поколения с органичной радиационно-стойкой поглощающей сердцевиной, которая будет обладать, в том числе и высокоэффективной физической составляющей.
Сегодня водно-водяные атомные реакторы работают на тепловых нейтронах, и мощность в них регулируются с помощью движения нейтронопоглощающего материал – карбид бора. Однако свойства этого вещества таковы, что его хватает лишь на 4-5 лет использования, после чего происходит замена соответствующих стержней. Для данного процесса работа АЭС временно останавливается.
Необходимость увеличения срока службы реакторов новых электростанций толкает ученых на поиск новых более эффективных нейтронопоглощающих элементов, к которым у специалистов довольно высокие требования. Например, высокоэффективное поглощение нейтронов при эксплуатации, высокая устойчивость к радиации и коррозии, совместимость с 800-градусной температурой, а главное – длительный срок эксплуатации.
Одним из наиболее многообещающих нейтронопоглощающих элементов в данном плане является гафнат диспрозия, который отлично подходит по всем параметрам, что и подтвердили сотрудники АО «ГНЦ НИИАР». Несмотря на то, что это вещество является довольно дорогим редкоземельным веществом, в перспективе он выгоднее бора. Дело в том, что при поглощении диспрозием нейтронов из него образуются новые нейтронопоглащающие изотопы. Гафний также поглощает нейтроны, а с диспрозием он образует керамический материал высокой плотности – гафнат диспрозия, что не теряет своих свойств ни при высокой температуре, ни при серьезных механических нагрузках.
Главной проблемой при использования данного вещества является то, что обычно он представлен в форме порошка с крупными кристаллами и плохо компактируется, занимая много места и с ним слишком затруднительно работать в активной зоне реактора. Группа ученых НИЯУ МИФИ под руководством профессора Петрунина нашла решение проблемы компактности, предложив использовать данное вещество в наноструктурном состоянии. В итоге, они приступили к разработке способа получения наноматериала.
Для создания нанопорошка был создан двухстадийный способ, основа которого состояла в получении гидроксидов или оксигидроксидов соответствующих веществ с последующим прокаливанием прекурсоров до получения оксидов.
В процессе ученые разработали техпроцесс для полкчения однофазных малоагрегированных нанокристалических порошков гафната диспрозия путем химосаждения из растворов солей. Также была изготовлена и проверена первая партия, где размер кристаллов составляла не более 10нм, а величина их удельной поверхности была не менее 10 м2/г.
По итогам ученые, которые проводили исследования (по государственному заказу «Росатома»), получили патент на «Способ получения нанокристаллических порошков гафната диспрозия и керамических материалов на их основе», по которому для получения нанопорошка, сокращения времени его сушка и прокаливание смешанного основания диспрозия и гафния проводится под действием сверхчастотного излучения.
Запатентованное изобретение сотрудников МИФИ может найти применение при изготовлении нейтронопоглащающих материалов стержней регулирования систем управления новых типов ядерных реакторов со сроком действия в 20 лет.