Кинетика высокотемпературной нитридизации сплавов на основе Zr-U

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Установлены кинетические закономерности образования нитридов и представлена последовательность структурных превращений, характеризующих высокотемпературную (при 1900 °C) нитридизацию сплавов Zr-U, содержащих 2 и 5 мас.% U, в интервале от 3,5 до 60 мин. В ходе высокотемпературного насыщения азотом для каждого состава происходит распад твердого раствора (Zr,U) с образованием композитных структур ZrN-(ZrN1- n /U х Э у /U)-ZrN (где Э - О, N; n , x , y - стехиометрические коэффициенты). При распаде твердого раствора образуется нитрид циркония и выделяется фаза металлического урана, аккумулирующего в центральной части образца содержащиеся в исходном твердом растворе примеси. Кинетические кривые для температуры 1900 °C аппроксимируются экспоненциальным законом и соответствуют нитридизации циркония. Скорость нитридизации твердого раствора (Zr,U) возрастает с увеличением содержания урана. Для завершения процесса образования компактного нитрида твердого раствора (Zr,U)N стехиометрического состава необходимо повышать температуру и увеличивать длительность реакции.

Об авторах

И. А Ковалев

ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН

Email: vankovalskij@mail.ru

Г. П Кочанов

ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН

Email: vankovalskij@mail.ru

Л. О Львов

ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН

Email: vankovalskij@mail.ru

В. Ю Зуфман

ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН

Email: vankovalskij@mail.ru

А. И Огарков

ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН

Email: vankovalskij@mail.ru

Д. П Шорников

ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН; Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ «МИФИ»)

Email: vankovalskij@mail.ru

Б. А Тарасов

ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН; Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ «МИФИ»)

Email: vankovalskij@mail.ru

А. А Коновалов

ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН

Email: vankovalskij@mail.ru

А. В Шокодько

ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: vankovalskij@mail.ru

Список литературы

  1. Wuchina, E. Designing for ultrahigh-temperature applications: The mechanical and thermal properties of HfB2, HfCx, HfNx and aHf(N) / E. Wuchina, M. Opeka, S. Causey, K. Buesking, J. Spain, A. Cull, J. Routbort, F. Guitierrez-Mora //j. Mater. Sci. 2004. V.39. №19. P.5939-5949.
  2. Dong, Sh. Facile preparation of mesoporous titanium nitride microspheres for electrochemical energy storage / Dong Sh., Chen X., Gu L., Zhou X., Xu H., Wang H., Liu Zh., Han P., Yao J., Wang L., Cui G., Chen L. // ACS Appl. Mater.Interfaces. 2011. V.3. №1. P.93-98. doi: 10.1021/am100951h.
  3. Bl‡b, U.W. Bulk titanium nitride ceramics-Significant enhancement of hardness by silicon nitride addition, nanostructuring and high pressure sintering / U.W. Bl‡b, T. Barsukova, M.R. Schwarz, A. K†hler, C. Schimpf, D. Rafaja, E.1. Kroke, U. Mˆhle, I.A. Petrusha //j. Eur. Ceram. Soc. 2015. V.35. №10. Р.2733-2744. doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2015.04.005
  4. Hollmer, T. Manufacturing methods for (U-Zr)N-fuels: student thesis / T. Hollmer. - Stockholm: AlbaNova University Centre. 2011. 80 p.
  5. Li, J.Y. Zirconium nitride (ZrN) fibers prepared by carbothermal reduction and nitridation of electrospun PVP /zirconium oxychloride composite fibers /j.Y. Li, Y. Sun, Y. Tan, F.M. Xu, X.L. Shi, N. Ren // Chem. Eng. J. 2008. V.144. №1. P.149-152.
  6. Xin, X. Photochemical synthesis of transition metal-stabilized uranium(VI) nitride complexes / Xin X., Douair I., Rajeshkumar T., Zhao Y., Wang S., Maron L., Zhu C. // Nature Communications. 2022. V.13(1). Art.3809.
  7. Turner, J. UN-UB2 composite fuel material; improved water tolerance with integral burnable absorber /j. Turner, J. Buckley, R.N. Worth, M. Salata-Barnett, M.J.J. Schmidt, T.J. Abram //j. Nucl. Mater. 2022. V.559. Art.153471.
  8. Zheng, L. Layer-structured Cr/CrxN coating via electroplating-based nitridation achieving high deuterium resistance as the hydrogen permeation barrier / Zheng L., Li H., Zhou J., Tian X., Zheng Z., Wang L., Wang X., Yan Y. //j. Advanc. Ceram. 2022. V.11(12). P.1944-1955.
  9. Кривов, М.П. Влияние структурно-фазового состояния нитридного ядерного топлива на ресурс ТВЭЛА / М.П. Кривов, Г.А. Киреев, А.В. Тенишев // Атомная энергия. 2019. Т.127. №1. С.25-29.
  10. Кинёв, Е.А. Методики материаловедческих исследований нитридного ядерного топлива / Е.А. Кинёв, А.В. Барыбин, В.Л. Панченко, В.А. Цыгвинцев // Вопр. атомн. науки и техники. Серия: Материаловедение и новые материалы. 2021. №3 (109). С.85-95.
  11. Solntsev, K.A. Oxidative constructing of thin-walled ceramics (OCTWC) / K.A. Solntsev, E.M. Shustorovich, Y.A. Buslaev // Dokl. Chem. 2001. V.378. №4-6. Р.143-149.
  12. Солнцев, К.А. Окислительное конструирование тонкостенной керамики (ОКТК) выше температуры плавления металла: получение оксидных волокон из волокон Al и его сплава / К.А. Солнцев, Е.М. Шусторович, А.С. Чернявский, И.В. Дуденков // ДАН. 2002. Т.385. №3. С.372-377.
  13. Кузнецов, К.Б. Структура и твердость керамики, полученной в процессе высокотемпературной нитридизации циркониевой фольги / К.Б. Кузнецов, К.А. Шашкеев, С.В. Шевцов, А.И. Огарков, Н.Н. Третьяков, М.П. Саприна, А.В. Костюченко, А.С. Чернявский, В.М. Иевлев, К.А. Солнцев // Неорган. матер. 2015. Т.51. №8. С.893-900. doi: 10.7868/S0002337X15080126
  14. Kuznetsov K.B., Shashkeev K.A., Shevtsov S.V., Ogarkov A.I., Tretyakov N.N., Saprina M.P., Kostyuchenko A.V., Chernyavskii A.S., Ievlev V.M., Solntsev K.A. Structure and hardness of ceramics produced through high-temperature nitridation of zirconium foil // Inorg. Mater. 2015. V.51. №8. P.820-827. https://doi.org/10.1134/S0020168515080129
  15. Sheldon, R.I. The U-Zr (uranium-zirconium) system / R.I. Sheldon, D.E. Peterson // Bull. Alloy Phase Diagrams. 1989. V.10. №2. P.165-171.
  16. Powder diffraction file. Alphabetical index inorganic compounds. - Pensilvania: ICPDS, 1997.
  17. Кузнецов, К.Б. Кинетика насыщения циркония азотом в процессе высокотемпературной нитридизации / К.Б. Кузнецов, И.А. Ковалев, В.Ю. Зуфман, А.И. Огарков, С.В. Шевцов, А.А. Ашмарин, А.С. Чернявский, К.А. Солнцев // Неорган. матер. 2016. Т.52. №6. С.609-611. doi: 10.7868/S0002337X16060075.
  18. Kuznetsov K.B., Kovalev I.A., Zufman V.Yu., Ogarkov A.I., Shevtsov S.V., Ashmarin A.A., Chernyavskii A.S., Solntsev K.A. Kinetics of zirconium saturation with nitrogen during high-temperature nitridation // Inorg. Mater. 2016. V.52. №6. P.558-560. doi: 10.1134/S0020168516060078.
  19. Kovalev, I.A.Compositional evolution of zirconium and niobium in the process of high-temperature nitridation of Zr-Nb alloys / I.A. Kovalev, G.P. Kochanov, L.O. L'vov, S.V. Shevtsov, S.V. Kannikin, A.N. Sitnikov, S.S. Strel'nikova, A.S. Chernyavskii, K.A. Solntsev // Mendeleev Communications. 2022. V.32. Is.4. P.498-500. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2022.07.022.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2023