О перспективах использования металл- углеродных композитов на основе пиролизованных дифталоцианинов. - презентация

1 О перспективах использования металл- углеродных композитов на основе пиролизованных дифталоцианинов.

2 Структура молекулы дифталоцианина

3 Способ получения углеродных композитов: синтез и пиролиз дифталоцианинов в атмосфере аргона. 1. U(Th,Pu,Zr,Hf)I (C 6 H 4 C 2 N 2 ) 250 о C, Ar [C 64 H 32 N 16 ]U 2. Y(РЗЭ,Am,Cm) (CH 3 COO) (C 6 H 4 C 2 N 2 ) 250 о C, Ar [C 64 H 32 N 16 ]Y 3.Для элементов, не образующих фталоцианины – введение их в в реакционную смесь в процессе синтеза, например, дифталоцианина иттрия пиролиз 800C, Ar Ме(U,Y и др.)Cx (x 35-40)

4 Элементный состав углеродной матрицы YCx (вес.%) после пиролиза Pc 2 Y Температура, о С углерод водород азотиттрий ,85 0,48 4,32 20, , ,34 20, ,11 0,19 0,62 18, ,13 0,33 0,06 13,6

5 Плотность углеродного композита после пиролиза при 900С составляет 0,8 - 0,9г/см3 для компактных образцов и 0,9 - 1г/см3 для порошка. Площадь поверхности открытых пор композита, выдержанного при 1200С, определённая методом БЭТ (адсорбционный способ с использованием газовой хроматографии), равна м 2 /г, площадь поверхности закрытых пор составляет, по нашей оценке, не менее 500м 2 /г. Удельное сопротивление, измеренное относительно сопротивления графита, равно 2,7 Омсм, т.е. на 3-4 порядка больше, чем у графита

6 UCx, ThCx, ZrCx, GdCx, TbCx, LaCx, CmCx Опубликовано около 25 работ по ядерной физике и методических, впервые получено шесть новых изотопов (Fr-232, Ra-233, Ra-234, Tl-181,183,185 )

7 Скорость выделения натрия и рубидия из мишени UC x, облучаемой протонами с энергией 1 ГэВ. Измерение числа ионов на коллекторе проводилось с помощью цилиндра Фарадея.

8 Скорость выделения рубидия (Rb- 90) из мишени ThCx 2100 C (Isolde,1994)

9 Release of some radionuclides from irradiated by 1 GeV protons target UCx.

10

11 Доля улетучивания радионуклидов благородных газов из облучённого протонами UCx в вакууме в зависимости от температуры (время выдержки при каждой температуре – 1 час). Радиусы атомов Kr, Xe и Rn, соответственно, 2.01, 2.2 и 2.4 А о.

12 Хранение и трансмутация РАО. В процессе пиролиза дифталоцианина происходит образование структур из замкнутых углеродных ячеек. Внедрение в полости этих углеродных клеток атомов долгоживущих радиоактивных нуклидов предоставляет уникальные возможности как для их хранения, так и для трансмутации. Изоляционный барьер для инкапсулированных РАО осуществляется на молекулярном уровне, и эффективность и надёжность изоляции должна зависеть только от устойчивости углеродного каркаса к различным внешним воздействиям: воды, температуры, радиации и т.д. Эффективность внедрения в матрицу % для Eu, Tc, Am и 85-90% для йода.

13 List of the minor actinides: 234, 236 U, 237 Np, 238, 240,241,242 Pu, 241,242m,243 Am, 242,243,244 Cm Se Tc Kr Pd Sr Sn Zr I-1291, Nb Cs The most long-lived isotopes T1/2 (years) T1/2(years)

14 Тест на термоустойчивость Температурная зависимость выделения из матрицы: a - йода b - Am, Eu, Tc c – Eu, до и после облучения в реакторе (I=10 19 n) d – Cs, Yb, Eu, Am, Y после облучения в реакторе (I=10 19 n)

15 Тест на выщелачивание (вымывание водой в течение длительного времени, от 60 до 900 суток) R = А i ·m / А 0 S t (г/см 2 ·сутки) где: R – скорость выщелачивания, г/см 2 сутки; А 0 – активность радионуклида в образце; А i - активность радионуклида, перешедшего в водную фазу; m - вес образца, г; S - поверхность образца, см 2 ; t - время выщелачивания, сутки.

16 Скорость выщелачивания (К= А 1 /А о m(г)/S(см 2) t(сутки)) Am- 241 из углеродной матрицы до (1) и после (2) облучения

17 Скорость выщелачивания Eu-152 из порошка углеродной матрицы разной дисперсности. Squares: fraction 0,25 - 0,5mm, cycles - 0,25mm. Подтверждение удержания на молекулярном уровне

18 NuclideChemical stability K=g/cm 2· day Thermostability up to Т о С * Radiation stability* Our results Dose Gy 152 Eu2,8· > 1200no changes 241 Am2,1· > 1400no changes 99 Tc6,7·10 -8 > 1600not investigated 125 I6,1· no changes Standard demands( Russian standard,1998) 239 Pu Gray 90 Sr C * absense of the noticeable changes of the chemical content and structure

19 Способ Института высокомолекулярных соединений

20 Схема технологии фиксации РЗЭ и актинидов из ОЯТ 1.Перевод РАО из ОЯТ (РЗЭ и актиниды) в сухие соли уксусной кислоты 2.Смешивание этих солей с фталонитрилом и прессование (фото) 3.Синтез и пиролиз дифталоцианинов 4.Хранение и трансму- тация или захоронение

21 Твэлы для высокотемпературного реактора. Основные требования: 1.Устойчивость до температуры 1000 – 1200 о С 2.Радиационная устойчивость (отсутствие «распухания» и изменения состава) 3.Отсутствие газовыделения 4. И др.(плотность, теплопроводность и т.д.)

22 Микротвелы Основа:UO 2, PuO 2, ThO 2 Микросферы из окислов этих элементов диаметром от 0,1 до 1мм, покрытые двумя-тремя слоями углерода и карбида кремния: 1- слой пористого углерода толщиной микрон; 2- слой плотного углерода толщ микрон 3-слой карбида кремния(плотный,непроницаемый для газов) d: микрон 4- наружный слой плотного углерода Получение: 1 –разложение ацетилена ( о С) 2 –разложение пропилена, метана или их смеси ( о С) 3- разложение метилтрихлорсилана ( оС)

23 Углеродная матрица МеСх ( Ме - U, Pu, Th) Термическая устойчивость – не менее 1600 о С; Радиационно устойчива; Скорость выщелачивания водой продуктов деления – на уровне – г/см 2 сутки; Замедлитель – на уровне графита; Плотность см. след слайд; Газовыделение (Хе) – 1-2 % при 20С и не более 40 % при 1000С Теплопроводность - ? В качестве прогноза – отсутствие swellingа (распухания и растрескивания из-за выделения газов)

24

25 Структура металл-углеродных композитов План работы 1.Природа изоляционных барьеров. 2.Валентное состояние атомов металла. 3. Микро и макроструктура углеродного каркаса в зависимости от температуры отжига. 4.

26 Рентгеновские спектры пиролизованного Pс 2 Y после отжига в вакууме при разных температурах (Ю.П.Черненков). (оценка по ширине пика дает максимальную величину объёма кристаллита ~10 6 (A o ) 3.

27 офи_м Развитие технологии внедрения в углеродную матрицу пиролизованных дифталоцианинов высокоактивных отходов ОЯТ и исследование её структуры методами атомно-силовой микроскопии, малоуглового рассеяния нейтронов и рентгеноструктурного анализа поддержан

28 Спасибо за внимание