Применение настольного СЭМ ZEM18 от компании Zeptools для изучения материалов для отверждения и изоляции ядерных отходов

Благодаря уникальным физическим, химическим и физико-механическим свойствам, композиты с керамической матрицей обладают важным потенциалом применения в области отверждения и изоляции ядерных отходов. Особенно интересны керамические композитные материалы на основе системы ZrSiO₄-ZrO₂: они не только обладают превосходной химической стабильностью и термодинамическими свойствами, но также обладают низкой теплопроводностью и хорошей стойкостью к тепловому удару. Эти свойства делают их идеальными материалами-кандидатами для отверждения и выделения актиноидов и редкоземельных элементов из высокорадиоактивных отходов (ВАО).

Исследования показали, что керамические матрицы, содержащие ZrO₂, обладают хорошей радиационной, термодинамической и химической стабильностью, влияние условий синтеза и спекания этих материалов на их свойства и долговременную стабильность при практическом применении все еще нуждается в дальнейших исследованиях. Поэтому углубленные исследования метода синтеза, поведения при спекании, термических свойств и химической стабильности керамических композиционных материалов ZrSiO₄-ZrO₂ имеют большое значение для разработки новых материалов для отверждения ядерных отходов.

Ввиду вышеуказанных проблем зарубежная исследовательская группа использовала настольный сканирующий электронный микроскоп ZEM18, разработанный компанией Zeptools, для углубленных исследований. Они получили наноразмерные порошки золь-гель методом и керамические композиционные материалы на основе циркона и диоксида циркония. Цель состоит в том, чтобы оценить эти композиционные материалы в качестве отверждаемой матрицы во всем диапазоне концентраций ZrO₂. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале “Смазочные материалы и промышленная керамика” под названием "Керамические композиты на основе циркония и диоксида циркония". Ссылка на полный текст: https://doi.org/10.1007/s11148-024-00877-7

Основное исследовательское содержание статьи сосредоточено на разработке и оценке керамических композиционных материалов (1–x) ZrSiO₄–xZrO₂ на основе циркона и диоксида циркония. Исследовательская группа подготовила эти композиционные материалы путем спекания наноразмерных порошков в диапазоне температур от 1000 до 1300 °C и использовала серию экспериментальных методов для всестороннего анализа их физических, химических и термических свойств.

Основная часть исследования включает электронно-микроскопический анализ поврежденной поверхности спеченного керамического образца для наблюдения микроструктуры и возможных дефектов материала.

Чтобы оценить химическую стабильность материала, исследователи также провели эксперименты по выщелачиванию и обработали образцы композитных материалов дистиллированной водой, чтобы имитировать химическую эрозию, с которой материал может столкнуться в реальных условиях. Измеряя концентрацию циркония и кремния в выщелачивающем растворе, исследователи смогли рассчитать химическую стойкость материала, которая является ключевым параметром для оценки его в качестве контейнерного материала для длительного хранения ядерных отходов.

Таким образом, целью данного исследования является создание керамического композитного материала с превосходными характеристиками для отверждения и изоляции ядерных отходов. Эти материалы не только физически и химически стабильны, но также имеют низкий риск для окружающей среды и могут безопасно хранить и изолировать радиоактивные отходы в течение длительного времени. Результаты исследований обеспечивают научную основу для использования этих керамических композитных материалов в качестве потенциальных материалов для отверждения ядерных отходов и закладывают основу для будущих применений и дальнейших исследований.

Подробнее о сканирующих электронных микроскопах.