Природа формирования наноразмерных поровых каналов лавообразных топливосодержащих материалов объекта «Укрытие»
Исследована эволюция составляющих порового пространства коричневой и черной керамик лавообразных топливосодержащих материалов объекта «Укрытие» при термообработке. С повышением температуры часть наноразмерных поровых каналов закрывается при 100…150 °С, часть трещин – при 200 и 400 °С, полностью за...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2015 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2015
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/82444 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Природа формирования наноразмерных поровых каналов лавообразных топливосодержащих материалов объекта «Укрытие» / С.В. Габелков, А.А. Ключников, П.Е. Пархомчук, Г.Ф. Чемерский // Вопросы атомной науки и техники. — 2015. — № 2. — С. 77-83. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-82444 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Габелков, С.В. Ключников, А.А. Пархомчук, П.Е. Чемерский, Г.Ф. 2015-05-29T16:29:57Z 2015-05-29T16:29:57Z 2015 Природа формирования наноразмерных поровых каналов лавообразных топливосодержащих материалов объекта «Укрытие» / С.В. Габелков, А.А. Ключников, П.Е. Пархомчук, Г.Ф. Чемерский // Вопросы атомной науки и техники. — 2015. — № 2. — С. 77-83. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/82444 539.21 Исследована эволюция составляющих порового пространства коричневой и черной керамик лавообразных топливосодержащих материалов объекта «Укрытие» при термообработке. С повышением температуры часть наноразмерных поровых каналов закрывается при 100…150 °С, часть трещин – при 200 и 400 °С, полностью закрываются наноразмерные каналы при 400 °С, трещины – при 530 °С, а нанопоры – при 600 °С. Открытые наноразмерные каналы являются результатом объединения, по крайней мере, части треков α-частиц, образовавшихся за счет α-распада трансурановых радионуклидов при самооблучении в течение длительного периода времени. Наноразмерные поровые каналы и трещины сформировались в результате процессов, проходящих в материалах значительно позднее их «приготовления» во время аварии. Досліджено еволюцію складових порового простору коричневої та чорної керамік лавоподібних паливовмісних матеріалів об'єкту «Укриття» при термообробці. З підвищенням температури частина нанорозмірних порових каналів закривається при 100…150 °С, частина тріщин – при 200 і 400 °С, повністю закриваються нанорозмірні канали при 400 °С, тріщини – при 530 °С, а нанопори – при 600 °С. Відкриті нанорозмірні канали є результатом об'єднання принаймні частини треків α-часток, що утворилися за рахунок α-розпаду трансуранових радіонуклідів при самоопроміненні протягом тривалого періоду часу. Нанорозмірні порові канали та тріщини сформувалися в результаті процесів, що проходять в матеріалах значно пізніше їх «приготування» під час аварії. The evolution of components of pore space of brown and black ceramic lava-like fuel-containing materials of object "Shelter" during heat treatment was investigated. With increasing temperature part of the nanoscale pore channels closed at 100…150 °C, part of the cracks – at 200 and 400 °C, all nanoscale channels closed at 400 °C, cracks – 530 °C, and the nanopores – at 600 °C. Open nanoscale channels are the result of combining at least part of α-particles tracks formed at the expense of α-decay of transuranic radionuclides at self-irradiation during the long periods of time. Nanoscale pore channels and cracks formed as results of the processes taking place in the materials much later their “producing” during the crash. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Материалы реакторов на тепловых нейтронах Природа формирования наноразмерных поровых каналов лавообразных топливосодержащих материалов объекта «Укрытие» Природа формування нанорозмірних порових каналів лавоподібних паливовмісних матеріалів об’єкту «Укриття» Nature of formation of nanosized pore channels of lava-like fuel-containing materials of “Shelter” object Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Природа формирования наноразмерных поровых каналов лавообразных топливосодержащих материалов объекта «Укрытие» |
| spellingShingle |
Природа формирования наноразмерных поровых каналов лавообразных топливосодержащих материалов объекта «Укрытие» Габелков, С.В. Ключников, А.А. Пархомчук, П.Е. Чемерский, Г.Ф. Материалы реакторов на тепловых нейтронах |
| title_short |
Природа формирования наноразмерных поровых каналов лавообразных топливосодержащих материалов объекта «Укрытие» |
| title_full |
Природа формирования наноразмерных поровых каналов лавообразных топливосодержащих материалов объекта «Укрытие» |
| title_fullStr |
Природа формирования наноразмерных поровых каналов лавообразных топливосодержащих материалов объекта «Укрытие» |
| title_full_unstemmed |
Природа формирования наноразмерных поровых каналов лавообразных топливосодержащих материалов объекта «Укрытие» |
| title_sort |
природа формирования наноразмерных поровых каналов лавообразных топливосодержащих материалов объекта «укрытие» |
| author |
Габелков, С.В. Ключников, А.А. Пархомчук, П.Е. Чемерский, Г.Ф. |
| author_facet |
Габелков, С.В. Ключников, А.А. Пархомчук, П.Е. Чемерский, Г.Ф. |
| topic |
Материалы реакторов на тепловых нейтронах |
| topic_facet |
Материалы реакторов на тепловых нейтронах |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Природа формування нанорозмірних порових каналів лавоподібних паливовмісних матеріалів об’єкту «Укриття» Nature of formation of nanosized pore channels of lava-like fuel-containing materials of “Shelter” object |
| description |
Исследована эволюция составляющих порового пространства коричневой и черной керамик лавообразных топливосодержащих материалов объекта «Укрытие» при термообработке. С повышением температуры часть наноразмерных поровых каналов закрывается при 100…150 °С, часть трещин – при 200 и 400 °С, полностью закрываются наноразмерные каналы при 400 °С, трещины – при 530 °С, а нанопоры – при 600 °С. Открытые наноразмерные каналы являются результатом объединения, по крайней мере, части треков α-частиц, образовавшихся за счет α-распада трансурановых радионуклидов при самооблучении в течение длительного периода времени. Наноразмерные поровые каналы и трещины сформировались в результате процессов, проходящих в материалах значительно позднее их «приготовления» во время аварии.
Досліджено еволюцію складових порового простору коричневої та чорної керамік лавоподібних паливовмісних матеріалів об'єкту «Укриття» при термообробці. З підвищенням температури частина нанорозмірних порових каналів закривається при 100…150 °С, частина тріщин – при 200 і 400 °С, повністю закриваються нанорозмірні канали при 400 °С, тріщини – при 530 °С, а нанопори – при 600 °С. Відкриті нанорозмірні канали є результатом об'єднання принаймні частини треків α-часток, що утворилися за рахунок α-розпаду трансуранових радіонуклідів при самоопроміненні протягом тривалого періоду часу. Нанорозмірні порові канали та тріщини сформувалися в результаті процесів, що проходять в матеріалах значно пізніше їх «приготування» під час аварії.
The evolution of components of pore space of brown and black ceramic lava-like fuel-containing materials of object "Shelter" during heat treatment was investigated. With increasing temperature part of the nanoscale pore channels closed at 100…150 °C, part of the cracks – at 200 and 400 °C, all nanoscale channels closed at 400 °C, cracks – 530 °C, and the nanopores – at 600 °C. Open nanoscale channels are the result of combining at least part of α-particles tracks formed at the expense of α-decay of transuranic radionuclides at self-irradiation during the long periods of time. Nanoscale pore channels and cracks formed as results of the processes taking place in the materials much later their “producing” during the crash.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/82444 |
| citation_txt |
Природа формирования наноразмерных поровых каналов лавообразных топливосодержащих материалов объекта «Укрытие» / С.В. Габелков, А.А. Ключников, П.Е. Пархомчук, Г.Ф. Чемерский // Вопросы атомной науки и техники. — 2015. — № 2. — С. 77-83. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT gabelkovsv prirodaformirovaniânanorazmernyhporovyhkanalovlavoobraznyhtoplivosoderžaŝihmaterialovobʺektaukrytie AT klûčnikovaa prirodaformirovaniânanorazmernyhporovyhkanalovlavoobraznyhtoplivosoderžaŝihmaterialovobʺektaukrytie AT parhomčukpe prirodaformirovaniânanorazmernyhporovyhkanalovlavoobraznyhtoplivosoderžaŝihmaterialovobʺektaukrytie AT čemerskiigf prirodaformirovaniânanorazmernyhporovyhkanalovlavoobraznyhtoplivosoderžaŝihmaterialovobʺektaukrytie AT gabelkovsv prirodaformuvannânanorozmírnihporovihkanalívlavopodíbnihpalivovmísnihmateríalívobêktuukrittâ AT klûčnikovaa prirodaformuvannânanorozmírnihporovihkanalívlavopodíbnihpalivovmísnihmateríalívobêktuukrittâ AT parhomčukpe prirodaformuvannânanorozmírnihporovihkanalívlavopodíbnihpalivovmísnihmateríalívobêktuukrittâ AT čemerskiigf prirodaformuvannânanorozmírnihporovihkanalívlavopodíbnihpalivovmísnihmateríalívobêktuukrittâ AT gabelkovsv natureofformationofnanosizedporechannelsoflavalikefuelcontainingmaterialsofshelterobject AT klûčnikovaa natureofformationofnanosizedporechannelsoflavalikefuelcontainingmaterialsofshelterobject AT parhomčukpe natureofformationofnanosizedporechannelsoflavalikefuelcontainingmaterialsofshelterobject AT čemerskiigf natureofformationofnanosizedporechannelsoflavalikefuelcontainingmaterialsofshelterobject |
| first_indexed |
2025-11-27T09:13:28Z |
| last_indexed |
2025-11-27T09:13:28Z |
| _version_ |
1850808064527040512 |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №2(96) 77
УДК 539.21
ПРИРОДА ФОРМИРОВАНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПОРОВЫХ
КАНАЛОВ ЛАВООБРАЗНЫХ ТОПЛИВОСОДЕРЖАЩИХ
МАТЕРИАЛОВ ОБЪЕКТА «УКРЫТИЕ»
С.В. Габелков, А.А. Ключников, П.Е. Пархомчук, Г.Ф. Чемерский
Институт проблем безопасности АЭС НАН Украины, Чернобыль, Украина
E-mail: gabelkov@ipbaes.org.ua
Исследована эволюция составляющих порового пространства коричневой и черной керамик лавооб-
разных топливосодержащих материалов объекта «Укрытие» при термообработке. С повышением темпера-
туры часть наноразмерных поровых каналов закрывается при 100…150 °С, часть трещин – при 200 и 400 °С,
полностью закрываются наноразмерные каналы при 400 °С, трещины – при 530 °С, а нанопоры – при
600 °С. Открытые наноразмерные каналы являются результатом объединения, по крайней мере, части тре-
ков α-частиц, образовавшихся за счет -распада трансурановых радионуклидов при самооблучении в тече-
ние длительного периода времени. Наноразмерные поровые каналы и трещины сформировались в результа-
те процессов, проходящих в материалах значительно позднее их «приготовления» во время аварии.
Ядерную, радиационную и экологическую безо-
пасность объекта «Укрытие» определяют лавооб-
разные топливосодержащие материалы (ЛТСМ) по
причине того, что они содержат основную часть
радионуклидов вышедшего из-под контроля ядерно-
го реактора 4-го блока Чернобыльской АЭС. Струк-
туру ЛТСМ и её характеристики необходимо знать
для долгосрочного прогнозирования их деградации.
За десятилетия, прошедшие после аварии, достаточ-
но полно изучены не только кристаллические вклю-
чения, но и силикатная стекломатрица ЛТСМ. По-
лучены данные по фазовому составу, содержанию и
размерам кристаллических включений, распределе-
нию урана между кристаллическими включениями и
силикатной стеклофазой, элементному составу стек-
лофазы и параметрам открытой пористости [13].
Исследования, проведенные в последнее время
[4, 5], показали, что наряду с известными ранее га-
зовыми порами и трещинами ЛТСМ содержат нано-
размерные поровые каналы. Показано, что именно
наноканалы соединили газовые поры между собой и
с внешней средой и обеспечили формирование от-
крытой пористости материала, которая ответственна
за поступление воздуха и воды в ЛТСМ и, тем са-
мым, оказывает существенное влияние на процессы
деградации их структуры и свойств.
Полученные ранее данные [5] дают основания
полагать, что наноразмерные поровые каналы в
ЛТСМ являются результатом накопления радиаци-
онных дефектов, и основной механизм их формиро-
вания – взаимодействие с материалом -частиц, об-
разовавшихся при -распаде радионуклидов. Для
углубления наших представлений о ЛТСМ необхо-
димо выяснить природу формирования наноразмер-
ных поровых каналов. Знания о природе формиро-
вания каждого из всех имеющихся составляющих
порового пространства ЛТСМ позволит на каче-
ственно более высоком уровне подойти к пересмот-
ру модели деградации структуры и физико-
механических свойств ЛТСМ, т. е. однозначно
определить этапы деградации материала, выяснить
их очередность, оценить их продолжительность и
т. д. Это позволит значительно повысить надеж-
ность прогнозирования поведения ЛТСМ и создаст
предпосылки для выбора путей обращения с ЛТСМ
в будущем на последующих этапах работ на объекте
«Укрытие».
Целью работы было определение природы фор-
мирования наноразмерных поровых каналов для
совершенствования модели деградации ЛТСМ объ-
екта «Укрытие» путем изучения изменений характе-
ристик всех составляющих порового пространства
ЛТСМ в результате термообработки.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследовались образцы коричневой и черной ке-
рамик, характерные для парораспределительного
коридора и помещений 305/2, 304/2 соответственно.
При исследованиях использовался метод опреде-
ления объемов каждой из имеющихся в пористом
теле совокупностей открытых поровых каналов по
удалению рабочей жидкости из них при её испаре-
нии [6, 7]. Образцы ЛТСМ в виде пластин с разме-
рами (3…3,5) х (20…30) х (30…40) мм помещали в
вакуумную камеру. Проводили откачку до давления
6·10
-2
мм рт. ст. для удаления воздуха из поровых
каналов и заполняли их рабочей жидкостью ди-
стиллированной водой. Далее проводили контроли-
руемую сушку для удаления рабочей жидкости при
её испарении и определяли зависимость массы си-
стемы от времени при постоянной температуре.
Каждый из образцов ЛТСМ проходил серию тер-
мообработок при постоянных температурах в тече-
ние 5 ч в лабораторной печи на воздухе. Последую-
щую термообработку проводили при более высокой
постоянной температуре, чем предыдущую. Темпе-
ратуру повышали и снижали со скоростью
2,5…4,5 °С/мин. После каждой термообработки
определяли объемы всех открытых поровых каналов
и объем твердой фазы. Термообработки проводили
при температурах из интервала 70…800 °С.
Кажущуюся плотность образцов ЛТСМ опреде-
ляли методом гидростатического взвешивания, пик-
нометрическую – методом водной пикнометрии.
78 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №2(96)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Образцы коричневой керамики (№1 и 2) имели
кажущуюся плотность 2,70 и 2,81 г/см
3
и открытую
пористость 6,9 и 7,2% соответственно. Образец чер-
ной керамики имел кажущуюся плотность 2,16 г/см
3
и открытую пористость 9,8%.
Зависимость массы системы «коричневая кера-
микавода» для исходного образца №1 от времени
при температуре контролируемой сушки 3…37 ºС
показана на рис. 1. Масса системы с течением вре-
мени убывает. Зависимость содержит пять линей-
ных участков: четыре наклонных и один параллель-
ный оси абсцисс. Прямые, продолжающие линейные
участки до пересечения с осью ординат, отсекают на
последней величины масс, разности которых
(m0 - m1), (m1 - m2), (m2 - m3) и (m3 - m4) численно
равны объемам четырех совокупностей поровых
каналов различного диаметра. Величина массы, со-
ответствующая пятому участку, равна массе твердой
фазы. Абсциссы точек последовательного пересече-
ния этих прямых друг с другом дают значения про-
должительностей стадий испарения воды из каждой
совокупности поровых каналов. Относительные
объемы поровых каналов и продолжительности ста-
дий испарения воды представлены в таблице.
Рис. 1. Зависимость массы системы
«коричневая керамикавода» от времени сушки
Ранее [5] показано, что стадии I IV удаления
воды из поровых каналов коричневой керамики со-
ответствуют большим и малым газовым порам,
трещинам и наноразмерным поровым каналам соот-
ветственно. Стадия V соответствует твердой фазе.
Относительные объемы открытых поровых каналов, продолжительности стадий
удаления рабочей жидкости из них и объемы твердой фазы у коричневой керамики
(образец №1) лавообразных топливосодержащих материалов до и после термообработки
Стадии I II III IV V
Составляющая
структуры
Большие
газовые поры
Малые
газовые поры
Трещины
Нано-
каналы
Твердая
фаза
Относительные исходный 5,43 0,61 0,39 0,44 93,13
объемы до и после 300 °С 5,35 0,66 0,32 0,14 93,52
термообработки, об. % 530 °С 6,03 0,0 0,0 93,97
Погрешность, ±% 0,10 0,08 0,05 0,05 0,10
Продолжительности исходный 0,24 0,54 1,2 4,5
стадий до и после 300 °С 0,24 0,5 1,0 3,5
термообработки, ч 530 °С 0,2 0,36
Погрешность, ± ч 0,014 0,03 0,04 0,4
Примечание. Температура контролируемой сушки составляла 36…37 ºС.
В результате термообработки при 300 °С масса
образца уменьшилась с 2,8526 до 2,8492 г за счет
отделения от него нескольких крупинок. Термооб-
работка при 530 °С привела к разрушению образца
на семь крупных и множество мелких фрагментов.
Масса семи крупных фрагментов составила 2,0276 г.
Термообработка при 300 °C не привела к изме-
нению относительного объема больших и малых
газовых пор. Но объем трещин уменьшился на
0,07% (в 1,2 раза), а объем наноразмерных каналов –
на 0,3% (в 3,1 раза). Объем твердой фазы увеличил-
ся на 0,39%. Это указывает на закрытие некоторой
части трещин и значительной части наноразмерных
поровых каналов. Продолжительности удаления
воды из больших и малых газовых пор практически
не изменились, а из трещин и наноразмерных поро-
вых каналов уменьшились (см. таблицу).
Термообработка при 530 °С также не привела к
изменению относительного объема больших и ма-
лых газовых пор. Их суммарный объем не изменил-
ся. На зависимости массы системы «коричневая ке-
рамикавода» отсутствуют стадии III и IV, соответ-
ствующие трещинам и наноканалам. Объем твердой
фазы увеличился еще на 0,45%. Это свидетельствует
о закрытии всех наноканалов и преобладающей ча-
сти трещин. Продолжительности удаления воды из
больших и малых газовых пор несколько уменьши-
лись за счет увеличения поверхности образцов из-за
увеличения их боковой поверхности при разруше-
нии на несколько фрагментов (см. таблицу).
Для более полного изучения поведения состав-
ляющих порового пространства ЛТСМ при термо-
обработке её проводили у образца №2 коричневой
керамики последовательно с продолжительностью
по 5 ч при 150, 200, 250, 300, 350, 400 и 450 °С.
Масса образца с увеличением температуры термо-
обработки уменьшается (рис. 2): в интервале темпе-
ратур 20…300 °С – на 0,002…0,005 г через каждые
2,85
2,87
2,89
2,91
0 1 2 3 4 5 6 7
t, ч
m
,
г
m0
m1
m2
m3
m4
I
II
III
IV V
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №2(96) 79
50 °С в связи с отделением от образца по несколько
частиц материала диаметром 0,1…0,3 мм, а в интер-
вале 350…450 °С – более значительно, на
0,13…0,4 г через каждые 50 °С, за счет более интен-
сивного отделения частиц материала при разруше-
нии образца на 4, 6 и 8 частей соответственно.
Рис. 2. Зависимость массы образца №2 коричневой
керамики ЛТСМ от температуры термообработки
Зависимости относительных объемов открытых
поровых каналов и твердой фазы коричневой кера-
мики (образец №2) от температуры термообработки
приведены на рис. 3. Температура контролируемой
сушки составляла 35…37 °С. В интервале темпера-
тур 20…300 °С объем твердой фазы не изменяется и
составляет в среднем 92,8% (см. рис. 3, кривая 1). С
повышением температуры до 400 и 450 °С он воз-
растает до 93,04…93,12%.
Относительные объемы как больших, так и ма-
лых газовых пор не зависят от температуры термо-
обработки (см. рис. 3, кривые 2 и 3). После термооб-
работки при 400 и 450 °С их суммарный объем так-
же не изменился (см. рис. 3, кривая 4).
С увеличением температуры термообработки от-
носительный объем трещин сначала уменьшился в
интервале 20…200 °С, а затем достиг постоянной
величины со средним значением 0,5% (см. рис. 3,
кривая 5). Относительный объем наноразмерных
поровых каналов с увеличением температуры до
150 °С уменьшился, затем увеличился (при 200 °С) и
практически не менялся до 350 °С, а при 400 и
450 °С стал равен нулю (кривая 6).
Продолжительности стадий удаления воды из
больших и малых газовых пор и трещин практиче-
ски не меняются в интервале 20…350 °С (рис. 4,
кривые 2, 3 и 5). С увеличением температуры до 400
и 450 °С продолжительности стадий уменьшаются,
по-видимому, из-за увеличения поверхности образ-
ца по причине его разрушения на несколько кусков.
Продолжительность стадий удаления воды из нано-
размерных каналов с увеличением температуры
термообработки до 150 °С увеличивается до 3,1 ч, а
затем в интервале 150…350 °С существенно умень-
шается до 1,86 ч (см. рис. 4, кривая 6). Это указыва-
ет на то, что при 150 °С происходит некоторое
уменьшение среднего диаметра наноразмерных по-
ровых каналов, а при дальнейшем росте температу-
ры термообработки – его увеличение.
Рис. 3. Зависимости относительных объемов
открытых поровых каналов и твердой фазы
образца №2 коричневой керамики ЛТСМ
от температуры термообработки
(1 – твердая фаза;
поры газовые: 2 – большие; 3 – малые;
4 – большие и малые (сумма);
5 – трещины; 6 – наноразмерные поровые каналы)
Уменьшение относительного объема трещин в
интервале температур 20…150 °С при практически
не меняющейся продолжительности удаления воды
из них свидетельствует о закрытии части трещин.
Уменьшение же объема наноразмерных поровых
каналов в этом интервале температур при увеличе-
нии продолжительности стадии удаления воды (т. е.
уменьшении их среднего диаметра) однозначно сви-
детельствует о закрытии некоторой их части. По-
следующее повышение температуры до 200 °С при-
водит к увеличению их объема, т. е. к открытию
части закрывшихся ранее наноразмерных поровых
каналов. Постоянство объема наноразмерных поро-
вых каналов и уменьшение продолжительности ста-
дий удаления воды из них в интервале температур
200…350 °С указывает на то, что при этом происхо-
дит увеличение их среднего диаметра, которое при
400 °С приводит к их полному закрытию.
500
1,6
2,0
2,4
0 100 200 300 400
Т, °С
m
,
г
500
5
6
Т, °С
0,0
0,2
0,4
0,6
0 100 200 300 400
92,8
93,0
93,2
V
,
%
1
1
3
5
7
2
3
4
80 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №2(96)
Зависимость массы системы «черная керамика–
вода» от времени при температуре контролируемой
сушки 68 °С имеет также один параллельный оси
абсцисс и четыре наклонных линейных участка. Она
подобна таковой для системы «коричневая керами-
ка–вода» (см. рис. 1). Анализ данных этой статьи и
ранее полученных результатов [5] показал, что ста-
дии I IV удаления воды из поровых каналов чер-
ной керамики ЛТСМ соответствуют газовым порам,
трещинам, наноразмерным поровым каналам и
нанопорам соответственно. Стадия V соответствует
твердой фазе.
Рис. 4. Зависимости продолжительностей стадий
удаления воды из открытых поровых каналов
образца №2 коричневой керамики ЛТСМ
от температуры термообработки
(обозначения см. на рис. 3)
Для изучения поведения составляющих порового
пространства ЛТСМ при термообработке провели
термообработку образца черной керамики последо-
вательно с продолжительностью по 5 ч при 70, 100,
150, 210, 260, 300, 350, 400, 500, 600, 700 и 800 °С.
Масса образца в интервале температур 20…300 °С
практически не изменяется и составляет
(4,276 ± 0,005) г (рис. 5). В интервале температур
300…500 °С масса уменьшается на 0,12…0,2 г через
каждые 50 °С в связи с отделением от образца кру-
пинок материала при его разрушении на несколько
частей.
Зависимости относительных объемов открытых
поровых каналов и твердой фазы черной керамики
от температуры термообработки показаны на рис. 6.
Температура контролируемой сушки составляла
68…70 °С. С повышением температуры термообра-
ботки до 70 °С объем твердой фазы увеличился с
90,2 до 90,83% и далее в интервале 70…300 °С
остался постоянным. С ростом температуры до
400 °С он увеличился до 91,6% и далее в интервале
400…800 °С остался постоянным (кривая 1). Отно-
сительный объем газовых пор не зависит от темпе-
ратуры термообработки и составляет 7,5% (кри-
вая 2). Относительный объем трещин в интервале
20…300 °С не зависит от температуры термообра-
ботки и равен 0,93%. С увеличением температуры
до 400 °С он уменьшился до 0,35% и остался тако-
вым до 800 °С (кривая 3). С увеличением темпера-
туры до 100 °С относительный объем наноразмер-
ных поровых каналов резко уменьшился с 1,09 до
0,23%, а с увеличением до 150 °С резко увеличился
до 0,72%, далее с увеличением до 400 °С несколько
уменьшился до 0,42% и до 800 °С не изменялся
(кривая 4). Относительный объем нанопор в интер-
вале 20…500 °С не зависел от температуры термо-
обработки и составил 0,19%. С увеличением темпе-
ратуры до 600 °С он уменьшился до нуля и остался
таковым до 800 °С (кривая 5).
Рис. 5. Зависимость массы образца черной
керамики ЛТСМ от температуры термообработки
Продолжительности стадий удаления воды из га-
зовых пор, трещин, наноразмерных поровых кана-
лов и нанопор не зависят от температуры термооб-
работки (рис. 7, кривые 25).
Уменьшение относительного объема нанораз-
мерных поровых каналов с увеличением температу-
ры термообработки до 100 °С в сочетании с увели-
чением относительного объема твердой фазы указы-
вает на закрытие их значительной части (см. рис. 6,
кривые 4 и 1). Увеличение объема наноразмерных
поровых каналов с последующим повышением тем-
пературы свидетельствует об открытии их суще-
ственной части (60%). Уменьшение объема трещин
в интервале 300…400 °С указывает на закрытие
большей части трещин (кривая 3). Уменьшение до
нуля объема нанопор в интервале 500…600 °С сви-
детельствует о закрытии всех нанопор (кривая 5).
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Анализ полученных нами ранее результатов [5]
показывает, что у черной керамики стадия II соот-
ветствует трещинам, а стадия III – наноразмерным
поровым каналам. Учитывая, что определение объ-
емов открытых поровых каналов проведено при
близких температурах (36…37 и 41…42 °С, табл.
1, 2 [5]), можно сравнить продолжительности стадий
удаления воды из поровых каналов. Видно, что про-
2
2,5
3
3,5
t,
ч
6
0 100 200 300 400 500
1,5
0
0,2
0,4
0,6
0,8
5
2
3
0 100 200 300 400 500 600
Т, °С
4,0
4,1
4,2
4,3
m
,
г
Т, °С
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №2(96) 81
должительность стадии II у черной керамики (3,2 ч)
близка к продолжительности стадии III у коричне-
вой керамики (3 ч), а стадии III у черной керамики
(7,2 ч) близка к продолжительности стадии IV у ко-
ричневой керамики (6,94 ч).
Рис. 6. Зависимости объемов открытых поровых
каналов и твердой фазы от температуры
термообработки образца черной керамики ЛТСМ
(1 – твердая фаза; 2 – газовые поры; 3 – трещины;
4 – наноразмерные поровые каналы; 5 – нанопоры)
Накопленный опыт использования метода опре-
деления объемов поровых каналов по удалению ра-
бочей жидкости из них [7, 8] позволяет оценить ве-
личину среднего диаметра нанопор у черной кера-
мики в 15…35 нм. Формирование нанопор, по-види-
мому, произошло при охлаждении ЛТСМ во время
аварии и вызвано различием в коэффициенте линей-
ного теплового расширения основной массы стек-
лофазы и её областей, возможно сформировавшихся
в результате ликвации силикатного расплава.
В результате последовательных термообработок
образцов коричневой и черной керамик (см. рис. 2 и
5) наблюдается разрушение материала. При темпе-
ратурах термообработки менее 300 °С отмечается
отделение от образцов крупинок материала. Термо-
обработка при более высоких температурах приво-
дит к разрушению образцов на несколько частей.
Это обусловлено развитием нескольких имеющихся
в образцах трещин при повышении и понижении
температуры материалов.
Рис. 7. Зависимости продолжительностей стадий
удаления воды из открытых поровых каналов
образца черной керамики ЛТСМ от температуры
термообработки (обозначения см. на рис. 6)
Экспериментальные данные свидетельствуют о
том, что с повышением температуры термообработ-
ки поровое пространство ЛТСМ эволюционирует
(см. рис. 3 и 6). Термообработка при 100…150 °С
приводит к закрытию части наноразмерных поровых
каналов как у образцов коричневой (см. рис. 3), так
и черной керамик (см. рис. 6). Дальнейшее повыше-
ние температуры до 150…200 °С приводит к полно-
му открытию у коричневой керамики или к откры-
тию их большей части у черной керамики. Закрытие
части трещин у коричневой керамики происходит в
интервале температур 20…200 °С. У черной кера-
мики закрытие части трещин отмечается при повы-
шении температуры до 300…400 °С. Полностью
трещины в коричневой керамике закрываются при
температуре 530 °С. У черной керамики трещины
полностью не закрываются до температуры 800 °С.
Нанопоры черной керамики полностью закрылись в
интервале 500…600 °С. Объемы газовых пор как у
коричневой, так и черной керамик не зависят от
температуры термообработки.
Изменения объемов и средних диаметров состав-
ляющих порового пространства ЛТСМ при термо-
обработке (см. рис. 3 и 6) еще раз подтверждают
соответствие стадий удаления воды из поровых ка-
налов, стадии III у коричневой керамики и стадии II
у черной – трещинам, а стадий IV у коричневой ке-
рамики и стадии III у черной – наноразмерным ка-
налам.
Поведение наноразмерных поровых каналов од-
нозначно указывает на то, что они являются резуль-
татом объединения как минимум некоторой части
имеющихся в материале треков α-частиц. Известно
[9], что при использовании метода твердотельных
ядерных детекторов для измерения активности
90,2
90,6
91,0
91,4
91,8
1
V
,
%
1,2
0,8
0,4
0,0
100 200 300 400 500 600 700
7,6
7,4
2
5
9 5 t,
ч
0
1
2
0 100 200 300 400 500 600 700 800
2
3
4
Т, °С
0 800
3
4
5
Т, °С
82 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №2(96)
α-активных материалов применяют пластины из
силикатного стекла. После выдержки исследуемых
образцов на пластинах и химического травления на
их поверхности подсчитывают количество треков
α-частиц. Для последующих измерений исследова-
тели добиваются удаления α-треков с поверхности
стекла с помощью термообработки при температуре
150 °С в течение нескольких часов.
Оценка величины поверхности всех составляю-
щих порового пространства исходной (не термооб-
работанной) черной керамики – газовых пор, тре-
щин, наноразмерных каналов и нанопор, при ис-
пользовании данных их объемов (см. таблицу и рис.
3, 6) и средних диаметров (или толщин) [5] показы-
вает, что их поверхности в 1 см
3
ЛТСМ соответ-
ственно равны 62, 90, 1700 и 76 см
2
. В ряду умень-
шения удельной поверхности составляющие поро-
вого пространства располагаются таким образом:
наноразмерные поровые каналы, трещины, нанопо-
ры, газовые поры. Это коррелирует c рядом темпе-
ратур, при которых наблюдаются уменьшения объ-
емов составляющих порового пространства с ростом
температуры термообработки. Температура начала
уменьшения объема наноразмерных каналов имеет
наименьшее значение (100…150) °С, по сравнению
с таковыми других, составляющей порового про-
странства по причине того, что наноразмерные ка-
налы имеют наибольшую удельную поверхность.
Также следует отметить, что уменьшение объема
при относительно низких температурах термообра-
ботки отмечается у составляющих порового про-
странства с большим отношением поверхности к их
объему – у наноразмерных каналов и трещин. Они
сформировались позже в результате внутренних
процессов, проходивших в материалах. Такие со-
ставляющие структуры не могли образоваться при
высоких температурах, характерных для формиро-
вания ЛТСМ во время аварии, как, например, газо-
вые поры. Газовые поры, имеющие форму, близкую
к сферической, и относительно большой средний
диаметр в несколько единиц или десятков микро-
метров [4, 5], в исследованном интервале темпера-
тур термообработки не эволюционировали.
По данным расчетно-теоретических оценок [10]
среди радиационных повреждений в ЛТСМ, вы-
званных всеми возможными в условиях объекта
«Укрытие» излучениями (α- и β-частицами,
γ-квантами, нейтронами и т. д.), основной вклад в
формирование дефектов структуры вносят повре-
ждения за счет α-частиц и тяжелых ядер отдачи.
Принято считать, что 90% всех радиационных де-
фектов обеспечиваются вследствие тяжелых ядер
отдачи [10]. Однако только открытые наноразмер-
ные поровые каналы, среди всех составляющих по-
рового пространства, являются дефектами структу-
ры, обусловленными самооблучением ЛТСМ. Они
сформировались в результате объединения, по
крайней мере, части имеющихся в материале треков
α-частиц.
Газовые поры сформировались при охлаждении
ЛТСМ за счет выделения газов из расплава при
охлаждении по причине уменьшения их раствори-
мости [13]. Газовые поры в стеклах практически
всегда являются закрытыми [11]. Но уже через
11…12 лет после аварии было установлено [12, 13],
что ЛТСМ имеют открытую пористость, представ-
ленную двумя физически существенно различаю-
щимися по размерам порами: макро- и ультрамик-
роскопическими. По-видимому, уже тогда начали
формироваться наноразмерные поровые каналы,
которые соединили между собой и с внешней сре-
дой закрытые газовые поры. Уже в то время выска-
зывались предположения, что формирование уль-
трамикропор связано с радиационным дефектообра-
зованием [13].
Трещины сформировались позднее, ориентиро-
вочно в 20042011 годах, за счет увеличения объема
кристаллических включений оксидов урана при их
окислении, о чем свидетельствует значительное
уменьшение механических свойств ЛТСМ [14].
ВЫВОДЫ
Проведенные исследования показали, что со-
ставляющие порового пространства коричневой и
черной керамик ЛТСМ объекта «Укрытие» эволю-
ционируют в результате термообработки. С повы-
шением температуры происходит частичное закры-
тие наноразмерных поровых каналов при
100…150 °С у коричневой и черной керамик, тре-
щин при 200 °С у коричневой и при 400 °С у черной
керамик, полное закрытие наноразмерных поровых
каналов при 400 °С и трещин при 530 °С у коричне-
вой керамики и нанопор при 600 °С у черной кера-
мики. Движущей силой процесса уменьшения объе-
мов составляющих порового пространства является
понижение поверхностной энергии за счет умень-
шения площади их удельной поверхности.
Установлена природа формирования открытых
наноразмерных поровых каналов в ЛТСМ. Нанока-
налы являются результатом объединения, по край-
ней мере, части треков α-частиц, образовавшихся в
ЛТСМ в результате -распада трансурановых изо-
топов при самооблучении в течение длительного
периода времени (до десяти лет). Поведение при
термообработке (частичное закрытие) наноразмер-
ных поровых каналов в ЛТСМ совпадает с поведе-
нием треков -частиц в силикатном стекле, исполь-
зуемом для измерения активности образцов, содер-
жащих трансурановые радионуклиды, в методе
твердотельных ядерных детекторов.
Показано, что наноразмерные поровые каналы и
трещины являются составляющими порового про-
странства ЛТСМ с большим отношением их по-
верхности к объему. Это однозначно указывает на
то, что трещины во внутренней части материала (не
на поверхности) и наноразмерные каналы не могут
быть результатом «приготовления» ЛТСМ во время
аварии, а сформировались позже в результате внут-
ренних процессов, проходивших как ранее, так и
сейчас в ЛТСМ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Р.В. Арутюнян, Л.А. Большов, А.А. Боровой,
Е.П. Велихов. Ядерное топливо в объекте «Укры-
тие» Чернобыльской АЭС. М.: «Наука», 2010, 240 с.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №2(96) 83
2. В.И. Краснов, Э.П. Пазухин, Н.М. Огородни-
ков и др. Изучение физико-химических свойств
ядерно-опасных делящихся материалов объекта
«Укрытие», влияющих на степень ядерной и радиа-
ционной безопасности объекта «Укрытие»: Отчет
о НИР ИПБ АЭС №3970, Чернобыль, 2007, 217 с.
3. Э.М. Пазухин. Лавообразные топливосодер-
жащие массы 4-го блока Чернобыльской АЭС: топо-
графия, физико-химические свойства, сценарий об-
разования // Радиохимия. 1994, в. 2, с. 97-142.
4. С.В. Габелков, А.А. Ключников, Е.Е. Олейник,
П.Е. Пархомчук, Г.Ф. Чемерский. Наноразмерные
поровые каналы в лавообразных топливосодержа-
щих массах объекта «Укрытие» // Тезисы докладов
4 Междунар. конф. «HighMat-Tech», Киев, 2013,
с. 197.
5. С.В. Габелков, А.А. Ключников, Е.Е. Олейник
и др. Наноразмерные поровые каналы как составля-
ющая порового пространства лавообразных топли-
восодержащих материалов объекта «Укрытие» //
Проблеми безпеки атомних станцій і Чорнобиля.
2014, в. 22, с. 70-75.
6. С.В. Габелков, В.В. Макаренко, А.Г. Миронова
и др. Определение объема поровых каналов пори-
стых материалов по удалению из них воды при ис-
парении // Огнеупоры и техническая керамика. 2006,
№12, с. 41-47.
7. С.В. Габелков. Физические основы и опыт
применения метода определения объемов совокуп-
ностей поровых каналов в порошках и пористых
телах // ВАНТ. Серия «Вакуум, чистые материалы,
сверхпроводники». 2011, №6, с. 71-75.
8. С.В. Габелков, Р.В. Тарасов, А.Г. Миронова и
др. Эволюция структурной организации ксерогеля
при получении наноразмерного порошка оксида
циркония // Наносистемы, наноматериалы, нано-
технологии. 2008, т. 6, в. 4, с. 1315-1330.
9. С. Дюрани, Р. Бал. Твердотельные ядерные
детекторы / Пер. с англ. М.: «Энергоатомиздат»,
1990, 264 с.
10. В.Г. Барьяхтар, В.В. Гончар, А.В. Жидков,
А.А. Ключников. Радиационные повреждения в ла-
вообразных топливосодержащих материалах объ-
екта «Укрытие»: Препринт МНТЦ «Укрытие»,
Чернобыль, 1998, 17 с.
11. О.В. Кузьмина. Химическая технология
стекла и ситаллов: Учебное пособие. Томск: Том-
ский политехнический университет, 2012, 184 с.
12. А.В. Жидков, В.М. Гончар, П.Е. Пархомчук и
др. Исследование взаимодействия лавообразных
топливосодержащих материалов объекта «Укры-
тие» с водой и атмосферой: Отчет о НИР МНТЦ
«Укрытие», инв. №3651, Чернобыль, 1997, 68 с.
13. А.В. Жидков, В.М. Гончар, П.Е. Пархомчук и
др. Доступная пористость и молекулярно-ситовые
свойства лавообразных топливосодержащих мате-
риалов объекта «Укрытие»: Отчет о НИР МНТЦ
«Укрытие», №3723, Чернобыль, 1998, 48 с.
14. С.В. Габєлков, П.Є. Пархомчук, Г.Ф. Чемер-
ський та ін. Вивчення фізичних механізмів дії внут-
рішніх і структурних чинників, відповідальних за
процеси деградації паливовмісних матеріалів об'єк-
ту «Укриття» в період його переведення в екологіч-
но безпечну систему: Звіт про НДР ІПБ АЕС НАН У
№4007, Чорнобиль, 2012, 56 с.
Статья поступила в редакцию 20.01.2015 г.
ПРИРОДА ФОРМУВАННЯ НАНОРОЗМІРНИХ ПОРОВИХ КАНАЛІВ
ЛАВОПОДІБНИХ ПАЛИВОВМІСНИХ МАТЕРІАЛІВ ОБ’ЄКТУ «УКРИТТЯ»
С.В. Габєлков, О.О. Ключников, П.Є. Пархомчук, Г.Ф. Чемерський
Досліджено еволюцію складових порового простору коричневої та чорної керамік лавоподібних паливо-
вмісних матеріалів об'єкту «Укриття» при термообробці. З підвищенням температури частина нанорозмір-
них порових каналів закривається при 100…150 °С, частина тріщин – при 200 і 400 °С, повністю закрива-
ються нанорозмірні канали при 400 °С, тріщини – при 530 °С, а нанопори – при 600 °С. Відкриті нанорозмі-
рні канали є результатом об'єднання принаймні частини треків α-часток, що утворилися за рахунок
-розпаду трансуранових радіонуклідів при самоопроміненні протягом тривалого періоду часу. Нанорозмі-
рні порові канали та тріщини сформувалися в результаті процесів, що проходять в матеріалах значно пізні-
ше їх «приготування» під час аварії.
NATURE OF FORMATION OF NANOSIZED PORE CHANNELS
OF LAVA-LIKE FUEL-CONTAINING MATERIALS OF “SHELTER” OBJECT
S.V. Gabielkov, A.A. Klyuchnikov, P.E. Parkhomchuk, G.F. Chemersky
The evolution of components of pore space of brown and black ceramic lava-like fuel-containing materials of
object "Shelter" during heat treatment was investigated. With increasing temperature part of the nanoscale pore
channels closed at 100…150 °C, part of the cracks – at 200 and 400 °C, all nanoscale channels closed at 400 °C,
cracks – 530 °C, and the nanopores – at 600 °C. Open nanoscale channels are the result of combining at least part of
α-particles tracks formed at the expense of -decay of transuranic radionuclides at self-irradiation during the long
periods of time. Nanoscale pore channels and cracks formed as results of the processes taking place in the materials
much later their “producing” during the crash.
|