Исследования ученых ТПУ помогут создать устойчивые к радиации и водороду композиты

Ученые Томского политехнического университета выяснили, как изменяются микроструктура и свойства наноразмерных многослойных покрытий с чередующимися слоями циркония и ниобия после облучения протонами. Данные, полученные в результате теоретических и экспериментальных исследований, помогут в разработке композитов для ядерной энергетики, устойчивых к водородным и радиационным повреждениям. Исследование проводится при поддержке гранта Российского научного фонда № 20-79-10343. Результаты опубликованы в журнале Materials (Q2, IF:3,601).

Радиационные повреждения и накопление водорода — один из основных факторов, ограничивающих срок службы конструкционных материалов в водородной и ядерной энергетике. Специалисты Инженерной школы ядерных технологий ТПУ совместно с коллегами из Польши и Беларуси разрабатывают композиты с улучшенными физико-механическими свойствами. Перспективным направлением создания таких материалов является нанесение на них наноразмерных покрытий с чередующимися слоями циркония и ниобия.

«Граница раздела между двумя материалами — достаточно специфическая структура. Образующиеся в ней дефекты могут аннигилировать, что придает материалу способность к самовосстановлению. В конечном итоге это делает его устойчивым к облучению.

Любопытно, что такой эффект наблюдается не на каждой границе между слоями. Нашей задачей было понять причину этого явления и выявить закономерности», — рассказывает один из авторов статьи, доцент отделения экспериментальной физики ТПУ Роман Лаптев . 

Во время эксперимента на пластины кремния напылялись несколько чередующихся слоев ниобия и циркония. Ученые анализировали комплекс физико-механических свойств материала, затем подвергали его облучению протонами на ускорителе в Объединенном институте ядерных исследования (Дубна), где в дальнейшем выполнялся анализ с помощью пучков позитронов. Далее ученые в ТПУ анализировали структуру и комплекс физико-механических свойств образцов, подвергшихся радиационному воздействию.

«Экспериментальные исследования и комплексный теоретический анализ показали, что неравномерное накопление протонов на границах раздела обусловлено разными коэффициентами диффузии в слоях циркония и ниобия. Высокая скорость диффузии атомов водорода в слоях ниобия приводит к их интенсивной миграции из объема на ближайшую границу, где эти атомы захватываются и распределяются. При этом в слоях циркония, где скорость диффузии заметно ниже, в результате происходит накопление атомов в объеме слоя в соответствии с профилем облучения. Кроме того, на поведение материала влияет толщина отдельных слоев. Контролируя порядок слоев и их толщину, в перспективе можно получать композиты с заданными свойствами», — комментирует Роман Лаптев.

В дальнейшем ученые планируют изучить поведение композитов на основе наноразмерных металлических многослойных систем при облучении гелием. Полученные данные позволят разработать рекомендации по выбору оптимальных параметров нанесения наноразмерных слоев из циркония и ниобия для создания композиционных материалов, устойчивых к водородным и радиационным повреждениям.