Нанотехнологии в атомной энергетике

Уже сейчас очевидно, что торий-урановый цикл в ЖСР исполнении может нуждается в применении современных нанотехнологий по меньшей мере в трех аспектах.

Первый из них относится к проблеме устойчивости графитовой кладки реактора, играющей роль замедлителя и отражателя нейтронов. В ходе длительной непрерывной эксплуатации кладка подвергается механическому (расплав интенсивно перемешивается), химическому и радиационному воздействию со стороны расплава фторидных солей щелочных и щелочноземельных металлов с добавлением фторидов тория, урана и осколочных элементов при температурах 500-800^оС. Это воздействие приводит к развитию трещиноватости и распуханию графита и, в конечном счете, к необходимости остановки реактора и замене кладки. Согласно предварительным данным процесс деградации графита резко замедляется при введении в него малых добавок фуллеренов или нанотрубок. Причиной подобного эффекта может служить участие фуллеренов а также нанотрубок и их фрагментов в прерывании процесса трещинообразования и даже в залечивании микротрещин. Для выяснения эффекта добавления таких наноструктур требуется постановка расчетных и экспериментальных материаловедческих исследований с вариацией широкого спектра параметров (содержание и тип наноструктур в графите, время воздействия расплава, температура и ее резкие колебания, воздействие некоторых химически высокоактивных элементов и т.д.).

Второй аспект - сорбционное улавливание фуллеренами основных газообразных и летучих продуктов деления. Основными из них являются сильнейшие нейтронные яды - ксенон и криптон и предельно опасные для здоровья человека йод и тритий. При работе ЖСР эти продукты выносятся потоком гелия, который непрерывно промывает солевой расплав, и затем, после предварительного охлаждения идет на картридж с сорбентом. В качестве сорбента благородных газов и трития обычно используется активированный уголь. После десорбции с угля благородные газы перемораживаются в металлические баллоны, а тритий окисляется в воду. Данные последних лет показали, что фуллерены обладают уникальной сорбционной способностью по отношению к водороду. Это обстоятельство является исключительно важным для улавливания трития, поскольку может серьезно улучшить и упростить технологию этого процесса, а также последующего хранения трития. Необходимо также изучить сорбцию благородных газов и других летучих компонентов в условиях эксплуатации ЖСР и рассмотреть обращение с полученными продуктами. Таким образом, нанотехнологии могут внести существенный вклад в дело реализации торий-уранового топливного цикла в ЖСР-исполнении.

Третий аспект - упрочнение с помощью наноматериалов стенок емкости, для хранения солевой композиции после использования. Этот аспект замыкает цикл и создает надежную изоляцию высокоактивной солевой композиции на сотни лет.

Одним из условий обеспечения глубоких выгораний топлива является создание крупнокристаллических структур ядерного топлива с контролируемой пористостью (рис.4.1).

а	б

Рис.4.1. Микроструктура таблеток ядерного топлива для АЭС (а – полученные с использованием нанопорошка; б – стандартная таблетка).

Крупнокристаллические структуры ядерного топлива удерживают газообразные и летучие продукты деления, препятствуют транспорту осколков деления по границам зерен, в результате чего существенно снижается повреждаемость оболочки тепловыделяющего элемента. Для достижения крупнокристаллического состояния при прессовании топливной керамики (UO₂, (U, Рu)О₂, (U, Pu)N) в нее добавляют ультрадисперсный порошок UO₂ с размерами нанокристаллитов - 40 нм. В результате снижается температура спекания таблеток. Активация процессов спекания за счет нанодобавок может явиться одним из направлений создания технологии новых видов уран-плутониевых оксидов и нитридов ядерного топлива для инновационных ядерных реакторов на быстрых нейтронах.

Особые перспективы нанотехнологий можно связывать и с созданием так называемых бористых нержавеющих сталей. Например, выделения боридов нанометрового уровня (от 5 до 100 нм), позволяют увеличить содержание бора в 3–4 раза при сохранении пластичности и свариваемости нержавеющих сталей. В целом, новые конструкционные материалы способны продлить срок службы атомных реакторов.

Стали с повышенным содержаниемполучают при сверхбыстром охлаждении расплава бора и последующих переделах при этом обнаруживается образование в этих сталях равномерного распределения частиц боридов нанометрового размера (рис.4.3). Это способствует достижению в нержавеющих аустенитых сталях одновременного повышения прочности и пластичности.

а	б	в

Рис.4.3. Бористая сталь (а – особотонкостенные изделия из бористой стали; б – микроструктура обычной бористой стали; в – нанокомпозитная бористая сталь).

НАНОСТЕКЛО

Что представляет собой наностекло? Это группа разиообразиых материалов, состоящих из стеклянной матрицы, в которой распределены наночастицы. При этом наночастицы могут быть как крисгаллическими. так и

аморфными, Т.е. стеклянными или вовсе отсутствовать - стекло с н анопорами тоже будет наностеклом. Сама же матрица необязательно должна быть прозрачным силикатным стеклом, как оконное стекло, - она может со стоять практически из любого материала и даже быть металлической.

Иногда свойств а наностекол  определяются только свойствами входящих в и х состав наночастиц, но чаще всего - свойства м и стеклянной матрицы и наночастиц  одновременно. Наиболее ярким и всем известным примером наносте кла являются рубиновые звезды на Кремлевских башнях. Матрица эти х звезд состоит из бесцветного силикатного стекла, а красны й цвет им придают нсбольшие  количества равномерно распределенных наночастиц золота вследствие проявления плазмонного  резонанса

Явление  плазмонного резонанса применяется при изготовлении оптических светофильтров на основе наностекол. К примеру, красные. оранжевые и желтые светофильтры содержат в своем составе наночастицы селенида кадмия и цвет стекла задается их размером.

При этом, если желтое стекло нагреть до определенной температур ы, то частицы в нем подрастут, и оно покраснеет.