Анотація до роботи:

Гречанівський О.Є. Вплив структури та хімічного зв’язку на радіаційну стійкість U-, Th- мінералів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.21 – радіаційна фізика та ядерна безпека. – Національний Науковий Центр “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України, Харків, 2008.

Дисертація присвячена дослідженню причин різної радіаційної стійкості U-, Th- мінералів.

Проведена систематизація U-, Th- мінералів по типу їх структури. Показано, що присутність молекул води в міжшаровому просторі зменшує пошкодження структури.

Проведені дослідження впливу типу хімічного зв’язку на радіаційну стійкість циркону, монациту LaPO₄ та ксенотиму YPO₄. Результати показують те, що міжатомна заселеність перекриття атомних орбіталей дорівнює 0,120,16 |e| для зв’язку P-O та 0,290,34 |e| для зв’язку Si-O.

Виконано МД моделювання структур ксенотиму та циркону. Показано, що більш велика радіаційна стійкість ксенотиму відносно циркону визначається більшою кількістю “розплавлених” атомів в структурі ксенотиму протягом відновлення цих структур.

Досліджено вплив теплопровідності на радіаційну стійкість ряду мінералів. Показано, що час відновлення структури залежить від типу структури та від теплопровідності структури.

У дисертації викладено результати досліджень впливу структури та хімічного зв’язку на радіаційну стійкість U-, Th- мінералів. За результатами досліджень розв’язана важлива наукова задача встановлення впливу структури та ступеню ковалентності хімічних зв’язків в U-, Th- мінералах на їх радіаційну стійкість.

На основі аналізу одержаних результатів можна сформулювати наступні висновки:

1. Кількість “розплавлених” атомів в структурі ксенотиму протягом відновлення структури більше, ніж в структурі циркону. Тому кінцева кількість міжвузельних атомів у 3,3 рази менша для структури ксенотиму по відношенню до структури циркону.

2. МД моделювання структури ксенотиму при T = 600 K показує значне зниження кількості дефектів в цій структурі (у 1,5 рази) у порівнянні з температурою T=300 K. Це непогано узгоджується з тим, що критична температура аморфізації для ксенотиму складає T 500 K. Причиною такої температурної залежності дефектів є те, що зі збільшенням температури збільшується кількість розплавлених атомів, що збільшує швидкість відновлення структури.

3. Запропонований механізм рекомбінації дефектів, які виникають відразу після формування каскаду зміщення атомів. Встановлено, що для всіх досліджених матеріалів відновлення структури в каскаді зміщення відбувається в два етапи. На протязі першого етапу відбувається швидке відновлення структури; при цьому кількість розплавлених атомів змінюється незначно за рахунок передачі їм енергії енергетичними (з енергією вище 1 еВ) атомами. Тому на протязі цього етапу відновлення структури відбувається по всій поверхні розділу між каскадом зміщення та непошкодженою частиною матеріалу. Однак настає момент часу (початок другого етапу), коли кількість “розплавлених” атомів починає зменшуватися, і швидкість рекомбінації дефектів значно зменшується.

Відновлення структури в каскаді зміщення відбувається в основному на границі розділу між кристалічною матрицею та каскадом зміщення.

4. Великий вплив на радіаційну стійкість безводних U-, Th- мінералів має ступінь ковалентності відповідних хімічних зв’язків. Показано, що в структурах з іонним типом зв’язку (NaCl, MgO), які характеризуються високою радіаційною стійкістю, міжатомна заселеність складає близько 0,05 |e|.

Порівняння хімічних зв’язків в цирконі, монациті та ксенотимі показує те, що міжатомна заселеність перекриття атомних орбіталей для зв’язку P-O b(P-O) в ксенотимі на 0,03 |e| менше, а в монациті на 0,06 |e| менше величини b(Si-O) в цирконі. Ці дані узгоджуються з критичними температурами аморфізіції цих мінералів.

5. Великі значення кінцевої кількості міжвузельних атомів у випадку кварцу та берлініту пов’язано з тим, що їх структури складаються з тетраедрів, що пов’язані один з іншим загальними вершинами. Такі структури мають велику кількість можливостей для перебудови тетраедрів один відносно іншого.

6. Радіаційна стійкість шаруватих U-, Th- мінералів визначається присутністю в їх міжшаровому просторі молекул води. Молекули води та катіони мають високі коефіцієнти дифузії (D = 10^-1010^-9 м²/с) і тому можуть впливати на потенційні бар’єри дефектів, викликаючи їх рекомбінацію.

7. Нерівномірний розподіл (кластерізація) атомів урану в структурі циркону також збільшує його радіаційну стійкість. Так, у випадку рівномірного розподілу урану в цирконі критична концентрація урану (після якої структура циркону переходить в метаміктний стан) складає U 0,66 мас.%, а у випадку нерівномірного розподілу урану структура циркону може залишатись в неметаміктному стані аж до концентрації U 1,29 мас.%.

8. Вплив на радіаційну стійкість U-, Th- мінералів має також мінімальне значення коефіцієнту теплопровідності структури k_min. Структури з меншим значенням k_min характеризуються більшим часом відновлення структури. Так, для структур циркону та ксенотиму k_min складає 3,8 Вт/(мК) та 1,8 Вт/(мК), а час відновлення складає відповідно 2,1 пс та 4,6 пс.

9. Запропоновані мінерали, на основі яких можна розробити матриці для використання їх для утилізації довгоіснуючих ВАВ. Серед оптимальних матриць для утилізації ВАВ є фосфатні матриці на основі монациту або ксенотиму.