Gənc təDQİqatçI, 2020, VI cild, №1

Ключевые слова:
 наноматериалы, нанотехнология, ядерный топливный цикл, радиаци-
онная и коррозионная стойкость.
Введение 
В ядерной энергетике и ядерной промышленности очень важна проблема модерниза-
ции топливных и конструкционных материалов для активной зоны ядерных реакторов. К 
топливным материалам относится широкий круг урановых и трансурановых элементов и их 
соединений. К конструкционным материалам ядерных реакторов принадлежат аустенитные, 
ферритные, ферритно-мартенситные и другие сорта сталей и сплавов, графит и углеродные 
материалы, циркониевые сплавы, различные керамические материалы. Решением проблем 
окончательного и надежного захоронения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и радиоак-
тивных отходов (РАО), является разработка новых квазистационарных методов переработки 
и минимизации жесткости нейтронного спектра ОЯТ. В связи с этим, одной из задач являет-
ся развитие фундаментальных и прикладных исследований в области радиационного матери-
аловедения и радиационных технологий. При проведении таких исследований важной зада-
чей является создание новых топливных и конструкционных материалов и новых методов 
анализа и контроля материалов[1-4].
Нанотехнологии в последнее время стали применяться практически во всех сферах но-
вейших технологий и по сути дела превратились в междисциплинарную область науки и 
техники. В атомной отрасли, нанотехнологии применялись еще до того, когда стали исполь-
зовать приставку «нано», так как созданные топливные и конструкционные материалы во 
многом были основаны на качественном изменении свойств материалов при переходе в 
нанометрический диапазон размеров [1-3].
Интерес к наноструктурным материалам (наноматериалам) и нанотехнологиям обу-
словлен рядом важных проблемных причин: 
• нанотехнологии позволяют получить принципиально новые квантовые устройства и 
материалы с характеристиками, существенно превосходящими достигнутый уровень; 
• нанотехнология объединяет знания и технику в области физики, химии, материалове-
дения, математики, биологии, медицины, компьютерной техники. 
Термин «нанотехнология» - означает совокупность методов и приемов, обеспечиваю-
щих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, вклю-
чающие компоненты с размерами от 1 до 100 нм, хотя бы в одном измерении [3-5]. Соот-
ветственно объекты, содержащие структурные элементы, размеры которых хотя бы в одном 
измерении менее 100 нм и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными 

---

GƏNC TƏDQİQATÇI, 2020, VI cild, №1 
58 
и эксплуатационными характеристиками, относят к наноматериалам. Термины «нанострук-
тура», «нанокомпозиты» - относят к материалам, образованные совокупностью наночастиц 
определенного размера и состава, либо полученным введением наночастиц в какие-либо 
матрицы с образованием у объектов качественно новых свойств, связанных с проявлением 
наномасштабных факторов. К наноструктурам также относят макроскопические материалы, 
составляющими которых являются нанообъекты и наноразмерные элементы. Первичные об-
разования из небольшого числа атомов (10÷104), размером 0,1÷1 нм - относят к нанокласте-
рам. Под наночастицами обычно подразумеваются промежуточные образования из атомов 
(молекул), малых молекулярных нанокластеров и имеющих характеристические размеры. 
В наноструктурных материалах проявляются существенные отличия практически всех 
физических свойств по сравнению с макроскопическими или микроскопическими объекта-
ми. Основные проявления размерных эффектов заключаются в следующем: 
• общая причина отличия свойств наносистем от свойств макроскопических систем - 
это сопоставимость размеров их структурных элементов с длиной волн коллективных воз-
буждений и ионизации; 
• уменьшение с размерами наноструктур времени протекания разнообразных физико-
химических процессов: 
• большую роль в химических свойствах наноструктур играет туннельный эффект; 
• кластер плавится при существенно более низкой температуре, чем массивное твёрдое 
тело и точка плавления не совпадает с точкой замерзания; 
• кластеры могут иметь отрицательную теплоёмкость, при сообщении некоторого ко-
личества теплоты, их температура падает за счёт перестройки структуры; 
• доля поверхностных атомов увеличивается по мере уменьшения размеров частиц;
Для наночастиц практически все атомы «поверхностные», поэтому их химическая ак-
тивность очень велика ; 
• с уменьшением размера зерна возрастает роль поверхностей раздела; 
•свойства поверхности в нанометрическом диапазоне отличаются от микроструктур-
ной поверхности; 
• размер кристаллитов сопоставим с длиной свободного пробега носителей при анализе 
кинетических явлений . 
Для металлов, влияние размера зерен нанометаллов и наносплавов на электронные 
свойства, могут проявляться лишь для очень малых кристаллитов или в очень тонких плен-
ках.
Анализ эволюции структурно-фазового состояния металлических материалов, в частности 
изменения диаграмм состояния за счет размерных эффектов вызывают значительные трудности 
из-за недостатка ряда значений термодинамических параметров. Например, известно, что темпе-
ратура эвтектики в ряде систем снижается при размере зерен менее десятков нанометров, хотя 
надо учитывать, что расчеты носят оценочный характер в простейшем приближении регулярных 
растворов. Фазовые превращения в наночастицах металов и Ме- оксидов в зависимости от размера 
могут отличаться за счет вклада упругой энергии, так как в наночастицах ZrO
2
зафиксировано од-
новременное формирование моноклинной (область существования пластичности охрупчиваемых 
материалов) наноструктуры. Длина трещин в монокристаллах и отдельных зернах наноструктур 
мало отличаются, поэтому вязкость разрушения после достижения своего максимального значе-
ния может уменьшаться при уменьшении размера зерна. Таким образом, нанокристаллические 
материалы являются примером зависимости физико-химических свойств от размера структуры в 
наномасштабе. В последние десятилетия выяснилось, что когда средний размер зерна в поликри-
сталлическом материале становится меньше 100 нм, свойства ультрадисперсных и нанокристал-
лических материалов, существенно изменяются. Особенно большие изменения возникают для ма-
териалов с размером зёрен менее 10 нм. Поэтому, с другой стороны, при создании наноструктур в 
чистом виде с характерными размерами хотя бы в одном направлении менее 100 нм нанокристал-

---

KIMYA 
ELMLƏRİ
 
59 
лические материалы демонстрируют одновременно высокую прочность и пластичность. Даже 
нанокристаллическая керамика пластична при низких температурах. Именно в связи с этими про-
тиворечиями по имеющейся классификации дисперсные и ультрадисперсные материалы разделя-
ют на макроскопические, микроскопические и нанокристаллические. Целью настоящей работы 
является краткий обзор результатов исследований и последних разработок в области использова-
ния конструкционных и функцииональных наноструктурных материалов в ядерной и радиацион-
ной технологии и технике. 
Цирконий принадлежит к числу редких металлов, который в силу исключительных 
свойств широко применяется в атомной энергетике, радиоэлектронике и ряде других отрас-
лей техники. В связи с развитием атомной энергетики цирконий привлек к себе внимание как 
возможный конструкционный материал для энергетических ядерных реакторов. Это привело 
к организации промышленного производства циркония и сплавов на его основе. Ценность 
циркония как конструкционного материала для атомной науки и техники определяется тем, 
что он имеет малое сечение захвата тепловых нейтронов (0,2барн), высокую антикоррозион-
ную стойкость, хорошие механические свойства [6]. За последнее время анализ литератур-
ных данных указывает на то, что в ядерных реакторах с водяным охлаждением в качестве 
источника молекулярного водорода рассматриваются радиолизные процессы в воде (в жид-
ком и паровом состояниях), а также парометаллическая реакция. Радиолитические процессы 
накопления водорода в реакторах характеризуются выходом молекулярного водорода. Они 
наблюдались при гомогенном радиолизе воды, при котором не учитывались влияния радиа-
ционных и радиационно-термических процессов конструкционных материалов в контакте с 
водой на накопление молекулярного водорода [6-7]. В результате поверхностных физико-
химических процессов металлических материалов с агрессивной средой изменяется состоя-
ние поверхности, которое в конечном итоге приводит к окислению этих материалов [7-8]. 
Применение циркония для топливных элементов вызвано его высокой ионной проводимо-
стью, которая обусловлена переносом анионной кислородной вакансии. Для того чтобы 
обеспечить их высокие качества используют порошки металлического циркония нанораз-
мерных частиц. Наноразмерные системы во многом отличаются от обычных монокристалли-
ческих систем. Поэтому изучение их свойств под влиянием гамма-излучения представляет 
практический и научный интерес. 
С целью выявления влияния металлического циркония на радиолиз воды исследована 
кинетика накопления молекулярного водорода при радиолитическом разложении воды в си-
стеме нано-Zr+H
2
O при Т=300К.