Physical-mechanical properties of γ-irradiated SiC ceramics for radioactive wastes immobilization

Abstract

The interest in silicon carbide (SiC-based) ceramics and composites as matrix material for nuclear waste immobilization is grown up. Long-term chemical durability and radiation resistance of SiC are important factors for radionuclides immobilization. Advantages of SiC-based ceramics as structural materials in nuclear applications are the high-temperature properties, high density and reduced neutron activation. The use of radiation resistant materials is a strong requirement for safe and environmentally beneficial energy system. The SiC ceramics stability under irradiation for temperatures up to 1273 K is also very important for nuclear power applications. The SiC matrices doped by additives of Cr, Si were fabricated using High Speed Hot Pressing Method. Additives content was in the range from 0.5 to 3 wt %. Microstructural characteristics of silicon carbide ceramics were analyzed by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and infra-red spectroscopy (IR) methods. The results of microcracking under indentation conditions were revealed the lack of cracks in the SiC ceramics with Cr additives before and after irradiation process. In addition, it was demonstrated that samples of SiC with alloying additives Cr and Si possess high mechanical parameters under γ-irradiation process. The strength of ceramics increases with the uniform and finegrained structure formation. The modification of phase composition and mechanical properties of the SiC ceramics with Cr and Si additives under γ-irradiation were analyzed for further development of radiation resistant and matrix materials for radioactive wastes immobilization.

Інтерес до карбіду кремнію, кераміки та композитів на основі SiC як матричного матеріалу для іммобілізації ядерних відходів зростає. Довготривала хімічна та радіаційна стійкість SiC є важливими факторами для іммобілізації радіонуклідів. Перевагами кераміки на основі SiC як конструкційних матеріалів для застосування у ядерної енергетиці є високотемпературні властивості, висока щільність та зменшена активація нейтронів. Використання радіаційностійких матеріалів є суворою вимогою до функціонування безпечної та екологічно чистої енергетичної системи. Структурна стабільність кераміки при опроміненні до температури 1273 К також дуже важлива для застосування в ядерної енергетиці. Матриці SiC, леговані добавками Cr та Si, були виготовлені методом високошвидкісного гарячого пресування. Вміст добавок складав від 0,5 до 3 % мас. Мікроструктурні характеристики кераміки карбіду кремнію були проаналізовані методом рентгенівської дифракції (XRD), сканувальної електронної мікроскопії (SEM), енерго-дисперсійної рентгенівської спектроскопії (EDX) та методів інфрачервоної спектроскопії (ІЧ). Результати тріщиностійкості в умовах навантаження виявили незначну кількість тріщин у кераміці SiC з добавками Cr до і після процесу опромінення. Крім того, було продемонстровано, що зразки SiC з легуючими добавками Cr і Si мають високі механічні параметри при γ-опроміненні. Міцність кераміки зростає з утворенням однорідної та дрібнозернистої структури. Проаналізовано модифікацію фазового складу та механічних властивостей кераміки SiC з добавками Cr і Si при γ-опроміненні для подальшого розвитку матеріалів, що стійкі до випромінювання, та матриць для іммобілізації радіоактивних відходів.