Проект Минобрнауки N 075-15-2021-1383 (вн. № 13.2251.21.0118) по теме: «Физико-химическое описание высокотемпературных процессов в многокомпонентных системах для извлечения и утилизации цезия и стронция при ликвидации последствий тяжёлых аварий на атомных электростанциях (INES-7)»:

ИТОГИ 2022 года

Цель первого этапа проекта состояла в синтезе, идентификации структуры, фазового и элементного состава образцов в системах Cs₂O-Al₂O₃ и SrO-Al₂O₃ методами физико-химического анализа, а также в изучении процессов испарения и термодинамических свойств методом высокотемпературной масс-спектрометрии с последующим моделированием на основе полуэмпирических и статистико-термодинамического подходов для дальнейшего прогнозирования фазовых равновесий в исследуемых системах при высоких температурах. Для реализации данного этапа проекта были привлечены следующие экспериментальные методы и теоретические подходы: РФА, РФлА, СЭМ/РСМА, ДТА/ТГ, ВПА, ВТМС, а также моделирование на основе полуэмпирических моделей и обобщенной решеточной теории ассоциированных растворов. В работе впервые проведено комплексное физико-химическое исследование структуры, фазовых равновесий, процессов испарения и термодинамических свойств в системах Cs₂O-Al₂O₃ и SrO-Al₂O₃ при высоких температурах. Степень дальнейшего внедрения полученных результатов обусловлена возможностью их использования для анализа распространения Cs и Sr в окружающей среде в условиях тяжелых аварий на АЭС, протекающих при высоких температурах.

По итогам выполнения первого этапа проекта сделаны следующие выводы и обобщения.

Установлено, что для получения образцов системы Сs₂O-Al₂O₃ предпочтителен гликоль-нитратный метод синтеза, а для образцов системы SrO-Al₂O₃ традиционный метод твердофазного синтеза. Корректность химического состава и структурного описания синтезированных образцов в изученных системах подтверждена методами РФА, РФлА, СЭМ и РСМА. Методами ДТА/ТГ проиллюстрировано отсутствие фазовых превращений в системе Сs₂O-Al₂O₃ до температуры 1373 К и в системе SrO-Al₂O₃ до температуры 1873 К, за исключением потерь массы при температуре 573 К в образцах системы Сs₂O-Al₂O₃, связанных с испарением структурно связанной воды. Методом высокотемпературного политермического анализа впервые определены температуры плавления образцов в системе Сs₂O-Al₂O₃ и подтверждены ранее найденные в литературе температуры плавления образцов в системе SrO-Al₂O₃. Впервые проведено комплексное термодинамическое описание систем Сs₂O-Al₂O₃ и SrO-Al₂O₃ при высоких температурах масс-спектрометрическим эффузионным методом Кнудсена до температуры 2700 К, а также получена следующая информация: состав и парциальные давления пара над исследуемыми системами; потери массы изученных образцов; активности и химические потенциалы компонентов; энергии образования Гиббса, избыточные энергии Гиббса и энтальпии смешения в рассматриваемых системах. Показано, что в изученных температурных интервалах наблюдается селективное испарение следующих молекулярных форм пара в системе Сs₂O-Al₂O₃ – Cs, O₂ а в системе SrO-Al₂O₃ – Sr, Al, AlO, Al₂O, O, соответственно. Найденные значения термодинамических свойства в исследованных системах свидетельствуют о наличии отрицательных отклонений от идеальности.

Термодинамические свойства в системах Сs₂O-Al₂O₃ и SrO-Al₂O₃ при высоких температурах были также рассчитаны на основе полуэмпирических подходов Редлиха-Кистера, Вильсона и статистико-термодинамического подхода на основе обобщённой решёточной теории ассоциированных растворов.

Установлено, что впервые полученная экспериментальная информация о высокотемпературном физико-химическом описании систем Сs₂O-Al₂O₃, SrO-Al₂O₃ до температур 2700 К в сочетании с указанными выше теоретическими подходами свидетельствуют о возможности её использования для включения в базы термодинамических данных для дальнейшего прогнозирования протекания высокотемпературных процессов с участием компонентов дебриса, содержащего радионуклиды, для минимизации последствий тяжёлых аварий на АЭС (INES-7).

По итогам выполнения проекта опубликовано две статьи в отечественном и зарубежном журналах, а также сделаны два доклада на российских конференциях с международным участием:

1. Столярова В.Л., Лопатин С.И., Селютин А.А., Ворожцов В.А., Шугуров С.М. Испарение и термодинамические свойства керамики на основе системы SrO-Al₂O₃ при высоких температурах // Журнал неорганической химии. – 2022. – Т. 67, № 12. – P. 1866–1873. – doi: 10.31857/S0044457X22601110.
   Stolyarova V.L., Lopatin S.I., Selyutin A.A., Vorozhtcov V.A., Shugurov S.M. Vaporization and thermodynamic properties of SrO-Al₂O₃ ceramics at high temperatures. // Russian Journal of Inorganic Chemistry. – 2022. – Vol. 67, No. 12. – P. 2077–2083. – doi: 10.1134/S0036023622601428.
2. Stolyarova V.L., Vorozhtcov V.A., Lopatin S.I., Selyutin A.A., Shugurov S.M., Shilov A.L., Stolyarov V.A., Almjashev V.I. Mass spectrometric study and modeling of the thermodynamic properties of SrO-Al₂O₃ melts at high temperatures // Rapid Communications in Mass Spectrometry. – 2023. – Vol. 37, No. 5. – P. e9459. – doi: 10.1002/rcm.9459.
3. Ворожцов В.А., Столярова В.Л., Лопатин С.И., Селютин А.А., Шугуров С.М. Термодинамические свойства стеклообразующих расплавов системы SrO-Al₂O₃ при высоких температурах // Функциональные стекла и стеклообразные материалы: Синтез. Структура. Свойства GlasSPSchool: Сборник тезисов Научной школы-конференции с международным участием для молодых учёных / Санкт-Петербург: ООО «Издательство “ЛЕМА”», 3-7 октября 2022. – С. 53. – ISBN 978-5-00105-749-9.
4. Ворожцов В.А., Фёдорова А.В., Лопатин С.И., Шугуров С.М., Шилов А.Л., Столярова В.Л. Термодинамические свойства системы Cs₂O-Al₂O₃ при высоких температурах // Тезисы докладов XX Молодёжной научной конференции ИХС РАН, посвящённой 135-летию со дня рождения академика И.В. Гребенщикова (1887-1953) / Санкт-Петербург: ООО «Издательство “ЛЕМА”», 5-6 декабря 2022. – С. 32-33. – ISBN 978-5-00105-764-2.

Это позволяет заключить, что научно-технический уровень полученных результатов полностью соответствует мировому уровню исследований в данном направлении. Таким образом, цели реализации первого этапа проекта полностью выполнены.