Исследование процесса плазмохимического синтеза оксидных композиций для уранового дисперсионного ядерного топлива


Просмотр статьи
PDF, 794,7 КБ

Research of the process of plasma chemical synthesis of oxide compositions for uranium dispersion nuclear fuel

The paper considers the problem of obtaining oxide compositions for dispersed nuclear fuel, associated with the disadvantages of traditional synthesis methods, characterized by high energy consumption, multi-stage and limited reproducibility of the phase composition. As an alternative approach, the plasmochemical processing of water-organic nitrate solutions in an air-plasma stream is investigated. The aim of the study was to establish patterns of influence of the composition of water-organic nitrate solutions and their treatment modes on the physico-chemical properties of the formed oxide compositions. To solve this problem, thermodynamic modeling of the UO2–MgO system was performed using the TERRA software package, and experimental studies were conducted on a laboratory plasma installation with a high-frequency plasma torch. The obtained materials were studied by laser diffraction, X-ray phase analysis, and specific surface area determination. It has been established that the formation of the target composition "UO2–MgO" is realized in a limited range of parameters of the gaseous medium, and changes in the composition of solutions and cooling modes have a significant effect on particle sizes, specific surface area and crystal structure of the materials obtained. The patterns of formation of nanostructured oxide compositions based on neodymium and magnesium oxides modeling dispersed uranium fuel have been revealed.

plasma, reactor, plasmatron, water-organic nitrate solution, fuel oxide composition

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.27.4.1277

Дмитрий Михайлович Беляков, Александр Григорьевич Каренгин

Том 27, выпуск 4, 2026 год



В работе рассмотрена проблема получения оксидных композиций для дисперсионного ядерного топлива, связанная с недостатками традиционных методов синтеза, характеризующихся высокой энергоёмкостью, многостадийностью и ограниченной воспроизводимостью фазового состава. В качестве альтернативного подхода исследована плазмохимическая переработка водно-органических нитратных растворов в воздушно-плазменном потоке. Целью исследования являлось установление закономерностей влияния состава водно-органических нитратных растворов и режимов их обработки на физико-химические свойства формируемых оксидных композиций. Для решения поставленной задачи выполнено термодинамическое моделирование системы «UO2–MgO» с использованием программного комплекса TERRA, а также проведены экспериментальные исследования на лабораторной плазменной установке с высокочастотным плазмотроном. Полученные материалы исследованы методами лазерной дифракции, рентгенофазового анализа и определения удельной поверхности. Установлено, что формирование целевой композиции «UO2–MgO» реализуется в ограниченном диапазоне параметров газовой среды, а изменение состава растворов и режимов охлаждения оказывает существенное влияние на размеры частиц, удельную поверхность и кристаллическую структуру получаемых материалов. Выявлены закономерности формирования наноструктурированных оксидных композиций на основе оксидов неодима и магния, моделирующих дисперсионное урановое топливо.

плазма, реактор, плазмотрон, водно-органический нитратный раствор, топливная оксидная композиция

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.27.4.1277

Дмитрий Михайлович Беляков, Александр Григорьевич Каренгин

Том 27, выпуск 4, 2026 год



1. Самойлов А.Г., Каштанов А.И., Волков В.С. Дисперсионные тепловыделяющие элементы ядерных реакторов. – М.: Атомиздат, – 1965. – 343 с.
2. Скоров Д.М., Бычков Ю.Ф., Дашковский А.М. Реакторное материаловедение. – М.: Атомиздат, – 1979. – 344 с.
3. Каренгин А. Г., Каренгин А. А., Новоселов И. Ю., Мендоса О., Алюков Е. С., Бабаев Р. Г. Плазмохимический синтез и оценка теплопроводности сложных оксидных композиций для перспективных типов ядерного топлива // Известия вузов. Физика. – 2018. - Т. 61 - № 12-2. - C. 36-44.
4. Алексеев С.В., Зайцев В.А., Толстоухов С.С. Дисперсионное ядерное топливо. – М.: Техносфера, – 2015. – 248 c.
5. Туманов Ю.Н. Плазменные и высокочастотные процессы получения и обработки материалов в ядерном топливном цикле: настоящее и будущее. – М.: Физматлит, – 2003. – 759 с.
6. Degueldre C., Paratte J.M. Concepts for an inert matrix fuel: An overview // Journal of Nuclear Materials. – 1999. – V. 274. – P. 1–6.
7. Кushtym A.V., Belash M.M., Zigunov V.V., Slabospitska O.O., Zuyok V.A. Dispersion fuel for nuclear research facilities // Problems of Atomic Science and Technology. – 2017. – V. 108. – Iss. 2. – P. 124–130.
8. Shelke A.V., Gera, B., Maheshwari N.K., Singh R.K. Theoretical studies on fuel dispersion and fireball formation associated with aircraft crash // Combustion Science and Technology. – 2018. – V. 19. – Iss. 12. – P. 2134–2163.
9. Song T., Wang Y., Chang Z., Guo L. In-situ fabrication of dispersion nuclear fuel pellets with a core-shell structure // Annals of Nuclear Energy. – 2019. – V. 134. – P. 258–262.
10. Myshkin V.F., Khan V.A., Tichy M. e. a. // AIP Conference Proceedings. – 2019. – Vol. 2101. – P. 1–7.
11. Karengin, A. A. Karengin, I. Yu. Novoselov. e.a. // Journal of Physics: Conference Series. – 2021. – Vol. 1989. – P. 1–5.