Изучение влияния накопления радиационных повреждений при взаимодействии тяжелых ионов Xe22+ на изменение теплофизических параметров циркониевой керамики
DOI:
https://doi.org/10.31489/2023No1/5-11Ключевые слова:
ZrO2 керамики, радиационные дефекты, теплофизические свойства, радиационные повреждения, тяжелые ионы, дисперсное ядерное топливоАннотация
Целью данной статьи является оценка влияния процессов формирования радиационно-индуцированных повреждений в виде точечных дефектов, дислокаций и вакансий, а также их накопления и образования локально-разупорядоченных областей в приповерхностном слое ZrO2 керамиках при облучении тяжелыми ионами Xe22+ с энергией 230 МэВ на изменение теплофизических свойств керамик. Выбор типа ионов для облучения обусловлен возможностями моделирования процессов радиационных повреждений сравнимых с воздействием осколков деления ядер урана в процессе ядерных реакций в ядерном топливе. Выбор материалов для облучения в виде ZrO2 керамик обусловлен перспективами их применения в качестве основного материала для инертных матриц дисперсного ядерного топлива для реакторов нового поколения. Данный выбор обусловлен физико-химическими, теплофизическими и прочностными свойствами ZrO2 керамик, которые обладают большей устойчивостью, чем другие типы оксидных керамик. В ходе исследований было установлено, что формирование изолированных локально-неоднородных областей при малых флюенсах облучения не приводит к существенным изменениям теплофизических свойств поврежденного слоя керамик. Однако, полиморфные превращения типа t-ZrO2 → c-ZrO2, возникающие при флюенсах облучения выше 1012 ион/см2, приводят к снижению теплопроводности и возникновению тепловых потерь, связанных с нарушением механизмов фононной передачи тепла в поврежденном слое.
Библиографические ссылки
Liu Y., et al. Irradiation response of Al2O3-ZrO2 ceramic composite under He ion irradiation. Journal of the European Ceramic Society. 2021, Vol. 41, No.4, pp. 2883 – 2891. doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2020.11.042
Shukla P.P., Lawrence J. Characterization and compositional study of a ZrO2 engineering ceramic irradiated with a fibre laser beam. Optics & Laser Technology. 2011, Vol. 43, No.7, pp. 1292 – 1300. doi:10.1016/j.optlastec.2011.03.026
Liu J., et al. In-situ TEM study of irradiation-induced damage mechanisms in monoclinic-ZrO2. Acta Materialia. 2020, Vol. 199, pp. 429 – 442. doi:10.1016/j.actamat.2020.08.064
Khrustov V.R., et al. Behavior of ceramics based on Al2O3 and ZrO2 nanopowders under gamma-ray irradiation. Inorganic Materials: Applied Research. 2014, Vol. 5, No.5, pp. 482 – 487. doi:10.1134/S2075113314050098
Wang Z.G., et al. Enhanced nucleation undercooling and surface self-nanocrystallization of Al2O3-ZrO2 (Y2O3) eutectic ceramics. Journal of the European Ceramic Society. 2019, Vol. 39, No. 4. P. 1707-1711. doi:10.1016/j.jeurceramsoc.2018.12.011
Yang M., et al. Ablation behavior of SiC whisker and ZrB2 particle-filled ZrO2 sol-gel composite coating under high-intensity continuous laser irradiation. Ceramics International. 2021, Vol. 47, No.18, pp. 26327-26334. doi:10.1016/j.ceramint.2021.06.043
Ghyngazov S.А., et al. Swift heavy ion induced phase transformations in partially stabilized ZrO2. Radiation Physics and Chemistry. 2022, Vol. 192, pp. 109917. doi:10.1016/j.radphyschem.2021.109917
Van Vuuren A.J., et al. Microstructural effects of Al doping on Si3N4 irradiated with swift heavy ions. Acta Phys. Pol. A. 2019, Vol. 136, pp. 241 – 244. doi:10.12693/APhysPolA.136.241
Costantini J.M. et al. Raman spectroscopy study of damage in swift heavy ion‐irradiated ceramics. Journal of Raman Spectroscopy. 2022, Vol. 53, No.9, pp. 1614 - 1624. doi:10.1002/jrs.6414
Chauhan V., Kumar R. Phase transformation and modifications in high-k ZrO2 nanocrystalline thin films by low energy Kr5+ ion beam irradiation. Materials Chemistry and Physics. 2020, Vol. 240, pp. 122127. doi:10.1016/j.matchemphys.2019.122127
Ciszak C., et al. Raman spectra analysis of ZrO2 thermally grown on Zircaloy substrates irradiated with heavy ion: Effects of oxygen isotopic substitution. Journal of Raman Spectroscopy. 2019, Vol. 50, No.3, pp. 425 – 435. doi:10.1002/jrs.5513
Ghyngazov S., et al. Surface modification of ZrO2-3Y2O3 ceramics with continuous Ar+ ion beams. Surface and Coatings Technology. 2020, Vol. 388, pp. 125598. doi:10.1016/j.surfcoat.2020.125598
Alin M., et al. Comprehensive study of changes in the optical, structural and strength properties of ZrO2 ceramics as a result of phase transformations caused by irradiation with heavy ions . Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2021, Vol. 32, No.13, pp. 17810 – 17821. doi:10.1007/s10854-021-06317-3
Alin M., et al. Study of the mechanisms of the t-ZrO2→ c-ZrO2 type polymorphic transformations in ceramics as a result of irradiation with heavy Xe22+ ions. Solid State Sciences. 2022, Vol. 123, pp. 106791. doi:10.1016/j.solidstatesciences.2021.106791
Deng Z.Y., et al. Microstructure and thermal conductivity of porous ZrO2 ceramics. Acta materialia. 2007, Vol. 55, No. 11, pp. 3663 – 3669. doi:10.1016/j.actamat.2007.02.014
