Актуальность работы. Одним из направлений разработок перспективных поглощающих стержней управления и защиты (СУЗ) для реакторов на тепловых нейтронах является получение керамических материалов в виде таблеток на основе ИГО2 и оксидов РЗЭ (Иу2О3, Зш2О3, Ен20з, Об2О3). Высокие эксплуатационные характеристики гафнийсодержащих оксидных систем достигаются при условии использования однофазных образцов керамики с высокой плотностью и структурой типа флюорита.
В настоящее время керамику Пу2О3-ИЮ2 получают методом твердофазного синтеза, поэтому актуальной является задача разработки технологии получения гафнийсодержащих оксидных систем с использованием гидрометаллургических методов, установления закономерностей образования тонкодисперсных порошков с заданными гранулометрическими и фазовыми составами, получаемых методами осаждения гидроксидов из растворов металлов. Интерес представляет исследование влияния методов обработки гидроксидов на свойства материалов, в том числе влияния СВЧ обработки, и синтеза оксидных порошков с высокой поверхностной активностью.
Объектом современных исследований является синтез нанодисперсных оксидных систем методом разложения нитрат-органических прекурсоров металлов. В данной связи, разработка технологии получения гафнийсодержащих порошков на основе этого метода, а также исследования процессов образования и свойств нанодисперсных порошков представляют значительный интерес.
В настоящей работе решается проблема разработки технологий получения гафнийсодержащих поглощающих систем с использованием современных методов синтеза и обработки материалов. Технологии создания композиционных и керамических материалов включены в «Перечень технологий, имеющих важное социально-экономическое значение или важное значение для обороны страны и безопасности государства (критические технологии)», утвержденный распоряжением Правительства Российской Федерации от 25 августа 2008 г. № 1243-р.
Цель работы заключается в разработке гидрометаллургической технологии синтеза гафнийсодержащих оксидных систем для поглощающих стержней управления и защиты.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследовать методы получения тонкодисперсных гафнийсодержащих оксидных систем гидрометаллургическими способами.
2. Определить физико-химические свойства синтезированных порошков и условия получения однофазных тонкодисперсных гафнийсодержащих порошков.
3. Изготовить керамику промышленными методами, исследовать ее структуру и свойства, определить условия синтеза керамики, удовлетворяющей требованиям, предъявляемым к поглощающим гафнийсодержащим материалам.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Установлены основные закономерности получения тонкодисперсных гафнийсодержащих оксидных систем с узким распределением частиц по размерам и активностью к спеканию, достаточной для изготовления плотной керамики, удовлетворяющей требованиям, предъявляемым к поглощающим материалам СУЗ для атомных реакторов.
2. Проведено термодинамическое обоснование применения метода разложения нитрат-органических прекурсоров для синтеза гафнийсодержащих оксидных систем. На основании расчетов термодинамических параметров реакции разложения в качестве восстановителя для синтеза порошков Ву2О3-НЮ2 выбран глицин.
3. Впервые глицин-нитратным методом в условиях СВЧ нагрева синтезированы нанодисперсные порошки 1)у2О3 НГО2, отличающиеся однородным распределением компонентов и высокой удельной поверхностью. Установлено, что образующиеся порошки позволяют получать однофазную керамику со структурой флюорита и плотностью, удовлетворяющей требованиям, предъявляемым к поглощающим материалам СУЗ для атомных реакторов.
Практическая значимость. Разработаны новые технологические схемы получения тонкодисперсных гафнийсодержащих оксидных систем методом осаждения гидроксидов при постоянном значении рН и глицин-нитратным методом. Разработанные технологии апробированы на промышленном оборудовании ОАО «Чепецкий механический завод» (г. Глазов). Соответствие свойств полученной керамики требованиям, предъявляемым к поглощающим материалам СУЗ для атомных реакторов, подтверждено предприятием ОАО «ГНЦ НИИАР» (г. Димитровград).
Личный вклад автора
Автором сформулированы основные задачи исследования, проведен комплекс исследований, включающий разработку и создание лабораторной установки для осаждения гидроксидов металлов, получение порошков и керамики в лабораторных и промышленных условиях, обработку полученных результатов, разработку новых технологий получения тонкодисперсных гафнийсодержащих оксидных систем методом осаждения гидроксидов металлов при постоянном значении рН и глицин-нитратным методом.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международной научной конференции «Энергоресурсосберегающие технологии и оборудование, экологически безопасные производства» (Иваново, 2004 г.), V и VI международных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы урановой промышленности» (Алматы, 2008, 2010 г.), IV международной школе - семинаре «Высокотемпературный синтез новых перспективных наноматериалов» (Барнаул, 2008 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы радиохимии и химической технологии в атомной промышленности» (Екатеринбург, 2009 г.), а также на научно-технических конференциях Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина (Екатеринбург, 2007-2009 г).
Публикация результатов. Результаты проведенных исследований опубликованы в 4 научных статьях, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК, и в тезисах 6 докладов на конференциях.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 110 наименований. Работа изложена на 153 страницах, включает 15 таблиц, 55 рисунка.
1. Синтезированы тонкодисперсные порошки на основе оксидов гафния, диспрозия, самария, европия, гадолиния методом осаждения гидроксидов при постоянном значении рН. Исследована структура, определены гранулометрические и фазовые составы порошков, а также условия получения однофазных систем со структурой флюорита и высокой удельной поверхностью.
2. Методами горячего и холодного прессования без стадии размола и классификации порошков синтезирована гафнийсодержащая керамика, удовлетворяющая требованиям, предъявляемым к поглощающим материалам. Исследована ее структура, определены фазовый состав и плотность.
3. Установлены зависимости свойств порошков ИЮ2 от условий осаждения гидроксидов при постоянном значении рН. Определены условия синтеза тонкодисперсных порошков с узким распределением частиц по размерам, а также условия синтеза плотной керамики.
4. Обоснована высокая эффективность СВЧ-сушки для обработки гидроксидов. Установлено влияние способа сушки на параметры дегидратации и гранулометрический состав порошков на основе гафнийсодержащих оксидных систем.
5. Проведено термодинамическое обоснование применения метода разложения нитрат-органических прекурсоров для синтеза гафнийсодержащих оксидных систем. На основании расчетов термодинамических параметров реакции разложения в качестве восстановителя для синтеза порошков Ву2О3-НЮ2 выбран глицин.
6. Глицин-нитратным методом в условиях СВЧ нагрева синтезированы нанодисперсные порошки Пу2О3-НГО2. Установлено, что образующиеся порошки отличаются однородным распределением компонентов, высокой удельной поверхностью и позволяют получать однофазную флюоритовую керамику с плотностью, удовлетворяющей требованиям, предъявляемым к поглощающим материалам СУЗ для атомных реакторов.
7. Разработаны технологические схемы получения тонкодисперсных гафнийсодержащих оксидных систем методом осаждения гидроксидов при постоянном значении рН и глицин-нитратным методом. Технологии апробированы на промышленном оборудовании ОАО «Чепецкий механический завод» (г. Глазов). Соответствие свойств полученных материалов требованиям, предъявляемым к поглощающим материалам СУЗ для атомных реакторов, подтверждено на предприятии ОАО «ГНЦ НИИАР» (г. Димитровград).
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
