В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Хаметовой Айнагуль Айтжановны на тему «Исследование модификации литийсодержащих керамик путем допирования оксидными соединениями для повышения радиационной стойкости» по образовательной программе «8D07140 – Наноматериалы и нанотехнологии».
Диссертация выполнена на кафедре «Кафедра Ядерной физики, новых материалов и технологий» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - на русском
Официальные рецензенты:
Сатбаева Зарина Аскербековна – PhD, Science профессор кафедры «Техническая физика и теплоэнергетика», НАО «Шәкәрім Университет» (г. Усть-Каменогорск, Республика Казахстан);
Мухамедов Нуржан Еролович – PhD, начальник лаборатории испытаний реакторного топлива филиала «Институт атомной энергии» РГП «Национальный ядерный центр Республики Казахстан» (г. Курчатов, Республика Казахстан).
Временные члены Диссертационного совета:
Лежнев Сергей Николаевич – кандидат технических наук, профессор, профессор Высшей школы Металлургии и горного дела, НАО «Рудненский индустриальный университет» (г.Рудный, Республика Казахстан);
Аханова Назым Ерлановна – PhD, и.о. проректора по науке и инновациям, Казахстанско – Британский технический университет (г.Алматы, Республика Казахстан);
Мұхаметұлы Бағдәулет – PhD, заместитель директора по научной работе Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка, Объединенный институт ядерных исследований (г.Дубна, Российская Федерация).
Научные консультанты:
Козловский Артем Леонидович – доктор PhD, ассоциированный профессор кафедры ядерной физики, новых материалов и технологий, НАО «Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева» (г. Астана, Республика Казахстан);
Труханов Алексей Валентинович – доктор физико-математических наук, доцент, Академик-секретарь Отделения химии и наук о Земле Национальной академии наук Беларуси (г. Минск, Республика Беларусь).
Защита состоится: 27 июня 2025 года 14:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D071 – Инженерия и инженерное дело» по образовательной программе «8D07140 – Наноматериалы и нанотехнологии» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Проведение заседания диссертационного совета в смешанном (оффлайн и онлайн) формате.
Ссылка: https://clck.ru/3M9WVR
Адрес: г. Астана, ул. Кажымукана 13, аудитория 309.
Аннотация (рус.): диссертационная работа Хаметовой Айнагуль Айтжановны «Исследование модификации литийсодержащих керамик путем допирования оксидными соединениями для повышения радиационной стойкости», представленной на соискание степени доктора философии (PhD) по образовательной программе «8D07140-Наноматериалы и нанотехнологии» Актуальность работы. Для решения проблемы исчерпания энергоресурсов в современном мире на ближайшие 50-100 лет рассматривается развитие методов альтернативной энергетики, в том числе, ядерной (увеличения КПД производительности выработки энергии за счет увеличения степени выгорания ядерного топлива, а также переход на использование высокотемпературных ядерных реакторов) и термоядерной энергетике, в основе которой лежит строительство термоядерных реакторов в которых в качестве топлива используется трития. При этом в случае термоядерной энергетики одни из сдерживающих факторов, помимо разработки методов удержания плазмы, является проблема наработки трития, количества которого, производимого классическими методами, недостаточно для полноценного поддержания термоядерного синтеза в реакторах. Решением проблемы наработки трития для поддержания термоядерных реакций и выработки энергии является технологическое решение использования бланкетных материалов содержащих литий, в которых происходит наработка трития в ходе ядерных реакций нейтронов с литием, в результате которых происходит выделение трития, а также ряда продуктов, таких как гелий, водород и другие продукты радиолиза. При этом сопутствующее накопление продуктов ядерных реакций в бланкетных материалах требует детального изучения в виду возможной инициализации процессов газового распухания за счет агломерации продуктов и образования газо-вакансионных комплексов в порах керамик, а также ухудшения прочностных и теплофизических параметров, играющих немаловажную роль в определении устойчивости керамик в процессе их эксплуатации. Интерес к литийсодержащим керамикам, в особенности, к метацирконату лития, обусловлен возможностью расширения технологических процессов наработки трития в бланкетных материалах, являющегося одним из видов топлива для термоядерного синтеза. В данном случае интерес к данному типу керамик обусловлен в первую очередь химической и термической стабильностью, а также более высокими показателями прочности и устойчивости к внешним воздействиям в сравнении с другими типами литийсодержащих керамик. При этом в последнее время большое внимание уделяется не только детальному и всестороннему изучению механизмов структурных повреждений, но и способам увеличения устойчивости керамик к подобным изменениям, связанным с накоплением продуктов ядерных реакций в структуре. Одним из способов повышения устойчивости является использование методов создания двухфазных керамик, которые заключаются как в смешивании двух различных типов литийсодержащих керамик вместе с последующим прессованием их в таблетки, или путем добавления различных стабилизирующих добавок, использование которых приводит к формированию примесных включений в виде новых фаз, равновероятно распределенных в объеме керамик. Исследования радиационного охрупчивания, связанного с процессами накопления гелия (Не2+) и водорода в приповерхностном слое литийсодержащих керамик являются одними из важных научных направлений исследований в области изучения процессов радиационных повреждений, возникающих в материалах, использующихся в качестве основы для создания бланкетных материалов для размножения трития. Интерес к данным типам исследований, в особенности к оценке структурных, теплофизических и прочностных изменений приповерхностного слоя литийсодержащих керамик, обусловлен в первую очередь необходимостью понимания механизмов деструкции, связанных с накоплением гелия и водорода, являющегося продуктом ядерных реакций размножения трития 6Li+n→4He+3T, накопление которого в приповерхностном слое может привести к деформационному распуханию структуры, возникновению метастабильных включений, воздействие на которые может привести к их охрупчиванию и разрушению, что в свою очередь приведет к загрязнению плазмы и снижению стабильности бланкетных материалов. При этом накопление гелия и водорода, как правило, происходит в приповерхностном слое, не смотря на то, что ядерные реакции могут протекать во всем объеме бланкета, в силу высокой подвижности и слабой растворимости, образованный в ходе ядерных реакций, гелий стремится покинуть объем керамики, смещаясь к поверхности, тем самым образуя в приповерхностном слое газонаполненные полости, возникающие за счет наличия пор в структуре керамик. Заполнение данных пор гелием или водородом с последующей его агломерацией может привести к возникновению механических деформационных давлений на стенки поры, что при больших концентрациях имплантированного гелия может привести к деформационному распуханию приповерхностного слоя, а при критических концентрациях к частичному вскрытию или взрывному эффекту разрушения газонаполненной полости. Одним из способов повышения устойчивости к процессам газового распухания является создание двухфазных керамик, за счет смешения двух различных литийсодержащих компонент, что в свою очередь приводит к увеличению стабильности к деградации за счет создания дополнительных граничных эффектов, связанных с различными фазами. При этом подбор компонент для получения двухфазных керамик, как правило, основывается на определении наиболее оптимальных параметров совместимости компонент, включая их теплофизические, прочностные и структурные параметры, совокупность которых позволит не только повысить устойчивость к радиационно-индуцированной деструкции и эрозии приповерхностных слоев, но и стабилизировать производства трития в течение длительного времени эксплуатации бланкетных материалов. Также в качестве альтернативного метода повышения стабильности к радиационно-индуцированной деструкции литийсодержащих керамик можно рассматривать метод добавления в состав керамик стабилизирующих добавок в виде оксидов иттрия, магния, алюминия, которые нашли активное применение в качестве стабилизаторов для повышения устойчивости керамических конструкционных материалов, используемых в условиях повышенных радиационных фонов или же подвергающихся прямому воздействию ионизирующего излучения (в случае использования подобных керамик в качестве материалов активной зоны или ядерного топлива). В основе метода увеличения стабильности к радиационным повреждениям за счет добавления стабилизирующих добавок лежит возможность получения структур по типу замещения (в случае, когда элементы оксидных стабилизирующих добавок замещают элементы основной матрицы материала) или же использование данных добавок приводит к формированию структур по типу растворов внедрения, что приводит, как и в случае двухфазных керамик к формированию дополнительных межфазных граничных эффектов, наличие которых способствует торможению мигрирующих радиационных дефектов в структуре поврежденного слоя. Также в ряде случаев добавление стабилизирующих добавок может привести к повышению стабильности к радиационным повреждениям за счет структурных фазовых или полиморфных превращений, которые как, к примеру, в случае циркониевых керамик способствуют увеличению сопротивляемости к повреждениям за счет изменений плотности упаковки, а также увеличению прочностных параметров при полиморфных трансформациях. Цель диссертационного исследования заключается в определении роли добавления стабилизирующей добавки MgO на изменение устойчивости к радиационно-индуцированному разупорядочению и деструкции приповерхностного слоя Li2ZrO3 керамик при имитации накопления радиационных повреждений, вызванных облучением ионами He2+ и протонами. Задачи диссертационного исследования. На основе сформулированной цели, включающей в себя изучение влияния добавления MgO на изменение сопротивляемости к деструкции приповерхностного слоя при высокодозном облучении Li2ZrO3 керамик были сформулированы следующие задачи, решение которых позволило получить новые данные в выбранном направлении исследований: 1. Отработка режимов получения Li2ZrO3 керамик при вариации концентрации стабилизирующего допанта MgO с последующей характеризацией влияния стабилизирующего допанта на фазовый состав керамик. 2. Определение роли термических эффектов при облучении на процессы диффузии дефектов в поврежденном слое и сдерживании их за счет изменений фазового состава Li2ZrO3 керамик при добавлении стабилизирующего допанта MgO. 3. Изучение механизмов радиационных повреждений и разупрочнений при высокотемпературном газовом распухании приповерхностного слоя Li2ZrO3/MgLi2ZrO4 керамик в случае облучения ионами He2+. 4. Изучение влияния вариации соотношения фаз в составе Li2ZrO3/MgLi2ZrO4 керамик на накопления радиационных повреждений и продуктов радиолиза при высокодозном облучении протонами. Объект исследования. Основным объектом диссертационного исследования являютсяLi2ZrO3 керамики стабилизированные допантом MgO, вариация концентрации которого позволила получить керамики различного фазового состава, что в свою очередь привело к изменению устойчивости к процессам радиационно-стимулированных повреждений приповерхностного слоя при высокодозном облучении. Выбор данного типа литийсодержащих керамик основан на возможностях и перспективах их использования в качестве материалов для размножения трития в термоядерных реакторах, которые основаны на совокупности физико-химических, прочностных и теплофизических параметрах данного типа керамик. В основе выбора MgO в качестве стабилизирующего допанта лежит гипотеза о формировании примесных включений в виде фаз MgLi2ZrO4 или MgO, наличие которых позволит создать дополнительные барьеры для диффузии дефектов, что сдержит процессы разупорядочения и дестабилизации, возникающие в случае высокодозного облучения, и связанные с образованием продуктов радиолиза. Предмет исследования в данной диссертационной работе заключается в систематическом изучении процессов фазовых трансформаций в Li2ZrO3 керамиках при добавлении в них стабилизирующего допанта MgO, а также их роли в изменении устойчивости керамик к процессам накопления радиационных повреждений и связанных с ними разупрочнения и дестабилизации приповерхностного слоя. Методы исследования. Получение образцов Li2ZrO3 керамик, а также изучение влияния вариации концентрации стабилизирующего допанта MgO на изменение фазового состава было осуществлено с применением метода механохимического перемалывания с последующим термическим спеканием и запрессовкой образцов для дальнейших исследований. Изучение структурных особенностей и изменений фазового состава керамик при добавлении в них стабилизирующего допанта осуществлялось с применением метода рентгенофазового анализа. Определение изменений механических и прочностных характеристик, связанных с изменением фазового состава керамик, а также при облучении ионами He2+ и протонами было осуществлено с применением методов индентирования и однократного сжатия. Определение кинетики структурных повреждений, вызванных облучением проводилось с использованием методов рентгеноструктурного анализа оценки деформационных искажений и структурного распухания, а также метода электронного парамагнитного резонанса. Изучение влияния стабилизирующего допанта на изменение теплофизических параметров осуществлялось с использованием метода определения продольного теплового потока с последующим вычислением коэффициента теплопроводности и его изменений в зависимости от фазового состава керамик и типа внешних воздействий. Научная новизна. Получены результаты исследований процессов фазовых трансформаций в Li2ZrO3 керамиках при добавлении в них стабилизирующего допанта MgO, увеличение концентрации которого приводит к формированию двухфазных MgLi2ZrO4/Li2ZrO3 керамик с различным соотношением фаз в составе, равновероятно распределенных по объему. Результаты экспериментальных исследований, имитирующих процессы накопления радиационных повреждений приповерхностных слоев MgLi2ZrO4/Li2ZrO3 керамик, позволяют расширить общие представления о механизмах сдерживания радиационных дефектов в приповерхностных слоях за счет эффекта межфазных границ и дисперсионного упрочнения, позволяющих увеличить сопротивляемость к радиационному охрупчиванию и дестабилизации. С применением метода ЭПР спектроскопии и рентгеноструктурного анализа были определены основные механизмы дефектообразования в литийсодержащих керамиках в зависимости от вариации соотношения фаз в составе, которые позволили оценить скорость накопления радиационных повреждений и продуктов радиолиза, а также установить влияние примесных фаз на сдерживание процессов накопления радиационных повреждений. Выявлено положительное влияние примесной фазы MgLi2ZrO4 на скорость структурного разупорядочения, обусловленную накоплением вакансионных дефектов и продуктов радиолиза. Основные положения, выносимые на защиту: 1. Установлено, что добавление в состав Li2ZrO3 керамик стабилизирующего допанта MgO при концентрациях 0.1-0.25 М приводит к формированию примесной фазы MgLi2ZrO4 с тетрагональным типом кристаллической решетки, весовой вклад которой варьируется от 5 до 50 вес. % в зависимости от концентрации допанта. 2. В ходе определения влияния вариации фазового состава керамик на устойчивость к деформационному объемному распуханию проведенному путем анализа зависимостей ∆V(сна) было установлено, что на устойчивость керамик влияет не только структурные изменения, обусловленные вариацией концентрации допанта в составе, но и температурный эффект, обуславливающий увеличение деформационных искажений, связанных с тепловыми эффектами и ускоренной диффузии имплантированных ионов He2+. 3. Установлено, что увеличение вклада фазы MgLi2ZrO4 в составе Li2ZrO3 керамик приводит к снижению скорости деградации прочностных и теплофизических параметров, изменение которых напрямую взаимосвязано со скоростью объемного радиационно-индуцированного деформационного распухания, вызванного накоплением имплантированного гелия в приповерхностном слое. 4. Установлено, что формирование включений в виде тетрагональной фазы MgLi2ZrO4 в составе Li2ZrO3 керамик при добавлении в состав стабилизирующего допанта MgO в концентрации 0.2-0.25 М приводит к сдерживанию механизмов накопления структурных повреждений при высокодозном протонном облучении, а также повышению устойчивости к деструкции поврежденного слоя, обусловленному накоплением кислородных вакансий и продуктов радиолиза. Практическая значимость результатов диссертационного исследования. Результаты влияния добавления стабилизирующего допанта MgO на изменение фазового состава Li2ZrO3 керамик позволили отработать режимы получения двухфазных MgLi2ZrO4/Li2ZrO3 керамик с различным соотношением весовых вкладов фаз. Полученные результаты позволили предложить технологические решения, связанные с получением двухфазных литийсодержащих керамик, обладающих высокими показателями прочности и устойчивости к радиационным повреждениям. Полученные результаты оценки механизмов накопления радиационных повреждений в виде кислородных вакансий и продуктов радиолиза при высокодозном облучении протонами, имитирующими процессы наводораживания приповерхностных слоев керамик позволяют оценить возможности изменения фазового состава Li2ZrO3 керамик за счет добавления стабилизирующего допанта MgO, и его роль в создании высокопрочных радиационно-стойких литийсодержащих керамик, используемых для размножения трития. На основании проведенных исследований по результатам экспериментов высокотемпературного облучения ионами He2+ и анализа полученных зависимостей, можно сделать общий вывод о перспективности использования допанта MgO в малых концентрациях не только для стабилизации прочностных и теплофизических параметров Li2ZrO3 керамик, но и увеличению сопротивляемости к деградации свойств при высокодозном облучении, а также накоплении гелия в приповерхностном слое, большие концентрации которого способствуют деструктивному охрупчиванию и разупрочнению керамик. Достоверность и повторяемость полученных результатов. Экспериментальные работы, связанные с отработкой режимов получения керамик с добавлением в них стабилизирующего допанта были выполнены с учетом проанализированных литературных данных в данном направлении, учитывающем все особенности механизмов допирования и использования стабилизирующих допантов для изменения свойств керамик. На основании собранных предварительных сведений были предложены режимы получения керамик, а также подобраны методы для их характеризации и всестороннего изучения. Все операции по характеризации образцов с целью выявления влияния изменения соотношения компонентов на фазовый состав, механические и теплофизические свойства были осуществлены с использованием высокоточных, сертифицированных приборов. Применяемое при обработке данных программное обеспечение имело действующие лицензионные соглашения. Эксперименты по синтезу были осуществлены в нескольких параллелях для исключения человеческого фактора, проверки воспроизводимости результатов и отработки режимов получения керамик с заданными характеристиками. Повторные эксперименты по синтезу и проверке образцов на устойчивость к внешним воздействиям обеспечили высокую достоверность полученных данных и сведению к минимуму рисков. Личный вклад соискателя. Отработка методов полученияLi2ZrO3 керамик при вариации концентрации стабилизирующего допанта MgO с применением механохимического перемалывания с последующим термическим спеканием и запрессовкой образцов для дальнейших исследований, а также характеризация полученных образцов с применением метода растрово-электронной микроскопии для определения морфологических особенностей были выполнены соискателем лично. Характеризация влияния оксида магния на структурные особенности и изменения фазового состава керамик, определение изменений механических и прочностных характеристик, связанных с изменением фазового состава керамик, а также при облучении ионами He2+ и протонами были выполнены соискателем совместно с сотрудниками Лаборатории инженерного профиля Евразийского национального университета им. Л.Н. Гумилева. Облучение образцов с целью моделирования воздействия легких ионов, сравнимых с радиационными повреждениями было осуществлено на базе Ускорительного комплекса ДЦ-60, расположенного в Астанинском филиале Института ядерной физики МЭ РК. При выполнении работ, связанных с анализом и интерпретацией данных, а также формулировании основных выводов по диссертационной работе соискатель консультировался с научными консультантами PhD, ассоциированный профессором, А.Л. Козловским и зарубежный научный консультант к.ф.-м.н., профессором А.В. Трухановым (Минск). Связь работы с научно-исследовательскими проектами, программами. Диссертационное исследование выполнено в рамках грантового финансирования AP14870105 «Разработка технологии модификации литийсодержащих керамик путем допирования оксидными соединениями с целью повышения устойчивости к радиационному охрупчиванию», реализуемого при поддержке Комитета науки Министерства Науки и Высшего образования РК. Апробация работы Основные результаты диссертационного исследования были представлены в виде научных докладов на следующих научных конференциях: – 5-м международном научном форуме «Ядерная наука и технологии» Института ядерной физики (Алматы, 2024); – 10-й международной научной конференции «Актуальные Проблемы Физики Твердого Тела» (Минск, 2023); – международной научной конференции студентов и молодых ученых «GYLYM JANE BILIM - 2025» (Астана, 2025); – 11-й международной научной конференции «Актуальные Проблемы Физики Твердого Тела» (Минск, 2025). Публикации. Основные результаты диссертационного исследования были опубликованы в следующих научных статьях: 1. Изучение влияния допирования MgO на теплофизические свойства керамик на основе метацирконата лития // Вестник НЯЦ РК. – 2023. – №3. – С. 33-39. 2. Study of Radiation Damage Processes Caused by Hydrogen Embrittlement in Lithium Ceramics under High-Temperature Irradiation // Ceramics. – 2022. – Vol. 5, №3. – P. 447-458. 3. Experiments on High-Temperature Irradiation of Li2ZrO3/MgLi2ZrO4 Ceramics by He2+ Ions // Ceramics. – 2024. – Vol. 7, №3. – P. 1260-1274. 4. Study of defect formation mechanisms in Li2ZrO3/MgLi2ZrO4 ceramics using EPR spectroscopy // Optical Materials: X. – 2025. – Vol. 25. – P. 100396. 5. Study of thermally induced diffusion mechanisms of implanted helium in the near-surface layers of ceramics based on lithium metazirconate // Bulletin of the L.N. Gumilyov Eurasian national university. Physics. Astronomyseries. – 2025. – Vol. 150, №1. – P. 8-31. Структура и объем работы. Диссертационная работа представлена на 108 печатных листах, включающих в себя 53 рисунка, 3 таблицы, а также 124 литературных источников. Структура диссертации состоит из введения, четырех основных разделов, заключения и списка литературы. Во введении отражена актуальность диссертационного исследования, научная новизна, поставлены цели и задачи диссертационного исследования, основные положения, выносимые на защиту основные положения, выносимые на защиту, практическая и научная значимость полученных результатов. В первом разделе представлен обзор последних достижений в области производства трития в токамаках, перспективы применения литийсодержащих керамик, в особенности метацирконата лития как материал для размножения трития в термоядерных реакторах. Отдельно рассматриваются работы по исследованиям радиационных повреждений при облучении ионами He2+ и протонами и изучена роль стабилизирующих добавок на свойства керамик. Во втором разделе представлено описание материалов и методов исследования, режимов синтеза литийсодержащих керамик, параметров облучения и описание приборов, используемых для анализа структурных повреждений при накоплении дефектов, вызванных облучением. В третьем разделе представлены результаты исследований влияния концентрации допанта на структурные и фазовые превращения в литийсодержащих керамиках, и влиянию процессов, возникающих при фазовых трансформациях на изменение прочностных и теплофизических параметров. В четвертом разделе представлены результаты исследований влияния термических воздействий на процессы деструкции приповерхностных слоев керамик на основе метацирконата лития, связанных с диффузией имплантированного гелия. Установлено влияние фазового состава и межфазных границ, формирование которых обусловлено вариацией фаз Li2ZrO3/MgLi2ZrO4 в литийсодержащих керамиках на основе метацирконата лития, на устойчивость к газовому распуханию и радиационным повреждениям при высокодозном облучении ионами Не2+ и протонами. В заключении подведены основные итоги и выводы проведенных исследований, сформулированы основные полученные результаты, основанные на результатах экспериментальных работ.
Отзыв зарубежного консультанта
Заключение комиссии по этической оценке исследований
Решение диссертационного совета
Защита диссертации: https://youtu.be/GwXXV0WcFyM?si=AKPHG0cCez6-aR3B
