Projekta nosaukums: Nākotnes kodoltermisko elektrospēkstaciju uzlabotā funkcionālā keramikas materiāla īpašības dažādu starojuma veidu ietekmē

Projekta līguma numurs: 1.1.1.2/VIAA/4/20/614

Projekta vadītājs (pēcdoktorants): vadošais pētnieks, Dr. Artūrs Zariņš

Projekta sadarbības partneri:

  • Karlsrūes Tehnoloģiju institūts, Lietišķo materiālu institūts/Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Institute for Applied Materials (IAM) (Karlsrūe, Vācija)
  • Enerģētikas, vides un tehnoloģiju pētniecības centrs, Nacionālā kodoltermiskās sintēzes laboratorija/Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), Laboratorio Nacional de Fusión (LNF) (Madride, Spānija)
  • Al-Farabi Kazahstānas Nacionālās universitāte, Eksperimentālās un teorētiskās fizikas institūts/Al-Farabi Kazakh National University, Institute of Experimental and Theoretical Physics (Almati, Kazahstāna)

Projekta īstenošanas termiņš: 01.01.2021.-30.06.2023.

Projekta kopējais finansējums, LU daļa: 111 504,90 EUR, no kura 5% jeb 5 575,25 EUR ir Latvijas Universitātes finansējums.

Projekta mērķis: pirmo reizi analizēt un salīdzināt litija ortosilikāta minilodīšu ar dažādu litija metatitanāta daudzumu īpašības dažādu starojuma veidu (fotonu, augstas enerģijas paātrinātu jonu un siltuma neitronu) ietekmē, lai atsevišķi varētu simulēt starojumu izraisītos procesus kodoltermiskās sintēzes reaktora ekspluatācijas apstākļos.

Projekta rezultāti: 2 iesniegtas publikācijas, 4 starptautisku zinātnisku konferenču tēzes, 4 mobilitātes komandējumi, 2 komunikācijas un sabiedrības iesaistes pasākumi, 1 recenzēts bakalaura vai maģistra darbs, 1 vadīts bakalaura vai maģistra darbs, 1 nokārtots tālākizglītības kurss, 1 iesniegts projekta pieteikums.

 

I ceturksnis (01.01.2021.–31.03.2021.)

Projekta pirmā ceturkšņa sākumā ir ņemta dalība projekta atklāšanas sanāksmē (Zoom platformā) ar starptautiskajiem sadarbības partneriem no Karlsrūes Tehnoloģiju institūta Lietišķo materiālu institūta (Vācija), DTF-LNF-CIEMAT - División de Tecnologías de Fusión, Laboratorio Nacional de Fusión, Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (Spānija) un Al-Farabi Kazahstānas Nacionālās universitātes Eksperimentālās un teorētiskās fizikas institūta (Kazahstāna). Sanāksmē ir apspriesta projekta pieteikuma īstenošana, paraugu apstarošanas eksperimentu metodoloģija, apstarošanas parametri, nepieciešamie pasākumi neitronos apstarotu paraugu transportēšanai uz LU Ķīmiskās fizikas institūtu un pētniecības vizīšu organizēšanas iespējas Covid-19 pandēmijas apstākļos.

Sadarbībā ar Scandinavian Clinics Estonia OÜ (Igaunija) litija ortosilikāta minilodītes ar četriem dažādiem litija metatitanāta daudzumiem ir apstarotas ar gamma starojumu (Co-60 izotops, absorbētās dozas: 10, 26 un 53 kGy, dozas jauda: 2,28 kGy/h). Radiācijas defektu un radiolīzes produktu uzkrāšanās kinētika un termiskā stabilitāte apstarotajās minilodītēs ir analizēta ar elektronu paramagnētiskās rezonanses (EPR) spektrometriju, izmantojot pakāpenisko izohronās atdedzināšanas tehniku, un termostimulētās luminiscences (TSL) metodi. Novērtēta minilodīšu priekšapstrādes ietekme uz uzkrāto radiācijas defektu un radiolīzes produktu koncentrāciju.

Iegūto rezultātu izplatīšanai ir sagatavotas un iesniegtas tēzes dalībai starptautiskajā zinātniskajā konferencē ICFRM-20 (20th edition of the International Conference on Fusion Reactor Materials) ar stenda referātu.

Zinātniski pētnieciskās darbības popularizēšanai plašākai sabiedrībai ir ņemta dalība LU Ķīmijas fakultātes organizētajā nodarbību ciklā “8 soļi pretī ķīmijai” ar mutisku referātu.

II ceturksnis (01.04.2021. – 30.06.2021.)

Projekta otrajā ceturksnī virtuālās mobilitātes ietvaros (01.04.2021.-30.04.2021.) sadarbībā ar Karlsrūes Tehnoloģiju institūta Lietišķo materiālu institūtu (Karlsrūe, Vācija) ir izgatavoti litija ortosilikāta pulverveida paraugi ar dažādu sastāvu, izmantojot sola-gēla un kausējuma metodi, kā arī izgatavotie paraugi ir raksturoti ar pulvera rentgendifraktometriju (p-XRD), rentgenfluorescences (XRF) un induktīvi saistītās plazmas optiskās emisijas spektrometriju (ICP-OES). Karlsrūes Tehnoloģiju institūtā izgatavotie paraugi ir sagatavoti transportēšanai un nosūtīti tālākai raksturošanai Latvijas Universitātes Ķīmiskās fizikas institūtā.
Paralēli, virtuālās mobilitātes laikā Latvijas Universitātes Ķīmiskās fizikas institūtā ir izgatavoti litija ortosilikāta un litija metatitanāta pulverveida paraugi, izmantojot cietfāžu sintēzes metodi, kā arī izgatavotie paraugi ir raksturoti ar pilnīgas iekšējās atstarošanās Furjē transformāciju infrasarkano (ATR-FTIR) spektrometriju. Sadarbībā ar Latvijas Universitātes Ķīmijas fakultāti iegūto paraugu kristālisko fāžu sastāvs ir noteikts ar p-XRD metodi.

Virtuālās mobilitātes laikā iegūtie rezultāti un turpmākie iespējamie pētījumu virzieni ir apspriesti videokonferencē ar starptautiskajiem sadarbības partneriem no Karlsrūes Tehnoloģiju institūta Lietišķo materiālu institūta (Karlsrūe, Vācija) un DTF-LNF-CIEMAT - División de Tecnologías de Fusión, Laboratorio Nacional de Fusión, Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (Madride, Spānija), izmantojot Zoom platformu (30.04.2021.).

Virtuālās mobilitātes laikā izgatavotie litija ortosilikāta un litija metatitanāta pulverveida paraugi ir sapresēti 10 mm tabletēs ar rokas hidraulisko presi. Sapresētie tablešu veida paraugi ir apstaroti ar <40 keV rentgenstarojumu (absorbētā doza: 10 kGy, dozas jauda: 0,7 kGy/min, vakuumā) sadarbībā ar Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūtu. Savukārt, sadarbībā ar Latvijas Onkoloģijas centru litija ortosilikāta minilodītes ar četriem dažādiem litija metatitanāta daudzumiem ir apstarotas ar 6 MeV paātrinātiem elektroniem (absorbētās dozas: 1 un 2 kGy, dozas jauda: 6 Gy/min, gaisā) un bremzējošo starojumu ar enerģiju mazāku par 6 MeV (absorbētā doza: 1 kGy, dozas jauda: 14 Gy/min, gaisā). Uzkrātie radiācijas defekti un radiolīzes produkti apstarotajās tabletēs un minilodītēs ir analizēti ar elektronu paramagnētiskās rezonanses (EPR), optiskās absorbcijas (OA) spektrometrijas un termostimulētās luminiscences (TSL) metodi.

Novadīts un aizstāvēts viens bakalaura darbs par litiju saturošu keramiku cietfāžu sintēzēm un raksturošanu Latvijas Universitātes Ķīmijas fakultātē, kā arī recenzēti divi bakalaura darbi.
Iegūto rezultātu izplatīšanai ir sagatavotas un iesniegtas divas tēzes dalībai stenda referātu veidā 23. starptautiskajā zinātniskajā konferencē-skolā “Uzlabotie materiāli un tehnoloģijas” (23rd International Conference – School “Advanced Materials and Technologies”, AMT-2021).

Projekta zinātniski-pētnieciskās darbības rezultāti popularizēti plašākai sabiedrībai pasākumā Eiropas Zinātnieku nakts 2021, prezentējot posteri “Nākotnes kodoltermisko elektrospēkstaciju uzlabotā funkcionālā keramikas materiāla īpašības dažādu starojuma veidu ietekmē” un video materiālu (vietne: www.zinatniekunakts2021.lv, 30.04.2021.), kā arī ņemta dalība izstādes “Skola 2021” Latvijas Universitātes Ķīmijas fakultātes sekcijā ar mutisku referātu “Ceļš no vidusskolēna līdz zinātniekam” (Zoom platforma, 23.04.2021.).

III ceturksnis (01.07.2021. - 30.09.2021.)

Projekta trešajā ceturksnī ir analizēta rentgenstarojuma ietekme uz virtuālās mobilitātes laikā Karlsrūes Tehnoloģiju institūta Lietišķo materiālu institūtā (Vācijā) sintezētajiem litija ortosilikāta un litija metatitanāta pulverveida paraugiem ar sola-gēla un kausējuma-izliešanas metodi. Papildus, lai novērtētu ražošanas procesā paredzēto izejvielu nestehiometrijas ietekmi uz materiāla radiācijas stabilitāti, litija ortoslikāta pulverveida paraugi ir sintezēti ar litija hidroksīda mazākumu un pārākumu, izmantojot cietvielu metodi. Pirms sintezēto pulverveida paraugu apstarošanas to fāžu sastāvu nosaka ar pulvera rentgendifraktometriju (p-XRD) un pilnīgas iekšējās atstarošanās Furjē transformāciju infrasarkano (ATR-FTIR) spektrometriju. Pulverveida paraugus sapresē 10 mm tabletēs ar hidraulisko rokas presi un līdz apstarošanas eksperimentiem uzglabā eksikatorā ar sausu gaisu. Sagatavotās tabletes apstaro ar <40 keV rentgenstarojumu (absorbētā doza: 10 kGy, dozas jauda: 0,7 kGy/min, vakuums). Paralēli, lai varētu novērtēt dažādas enerģijas fotonu un elektronu starojuma ietekmi uz radiācijas izraisītiem procesiem, litija ortosilikāta minilodīšu paraugus ar četriem dažādiem litija metatitanāta daudzumiem apstaro ar <40 keV rentgenstarojumu (absorbētā doza: 10 kGy, dozas jauda: 0,7 kGy/min, vakuums) un 6 MeV paātrinātiem elektroniem (absorbētā doza: 4 kGy, dozas jauda: 6 Gy/min, gaisā). Tabletēs un minilodītēs uzkrātos radiācijas defektus un radiolīzes produktus analizē ar elektronu paramagnētiskās rezonanses (EPR) un optiskās absorbcijas (OA) spektrometrijas un termostimulētās luminiscences (TSL) metodi.

Ņemta dalība starptautiskajā zinātniskajā konferencē AMT-2021 (23rd International Conference – School “Advanced Materials and Technologies”) ar diviem stenda referātiem “Influence of sample pre-treatment on radiation-induced processes in advanced ceramic breeder pebbles” un “Photoluminescence of lithium orthosilicate pellets via solid-state synthesis”. Iesniegtās tēzes ir publicētas šīs konferences tēžu grāmatā.
Iegūto rezultātu izplatīšanai ir ierakstīta mutiska video prezentācija “Influence of fabrication related effects on radiation-induced processes in lithium orthosilicate-based ceramics” un iesniegta dalībai starptautiskās zinātniskās konferences ICFRM-20 (20th edition of the International Conference on Fusion Reactor Materials) on-line stendu referātu sekcijā. Sagatavotas un iesniegtas tēzes dalībai starptautiskajā zinātniskajā konferencē ISFNT-15 (15th International Symposium on Fusion Nuclear Technology) ar stenda referātu.

Sadarbībā ar starptautisko partneri Karlsrūes Tehnoloģiju institūta Lietišķo materiālu institūtu (Vācija) ir sagatavots nacionāla mēroga pētniecības projekta pieteikums “Influence of hetero-element doping on radiation-induced processes in functional materials of future thermonuclear fusion reactor” un iesniegts dalībai Latvijas Zinātņu padomes Fundamentālo un lietišķo pētījumu projektu 2021. gada atklātajā konkursā, lai turpinātu attīstīt un saņemt finansējumu kodoltermiskās sintēzes problēmu zinātniskās pētniecības virzienam Latvijas Universitātē.

IV ceturksnis (01.10.2021. - 31.12.2021.)

Projekta ceturtajā ceturksnī ir turpināts analizēt jonizējošā starojuma izraisītus procesus litija ortosilikāta minilodīšu paraugos ar četriem dažādiem litija metatitanāta daudzumiem pēc to apstarošanas ar 6 MeV paātrinātiem elektroniem (absorbētā doza: 6 kGy, dozas jauda: 6 Gy/min, gaisā), lai simulētu sekundāro elektronu izraisītus procesus. Minilodītēs uzkrātos paramagnētiskos radiācijas defektus un radiolīzes produktus analizē ar elektronu paramagnētiskās rezonanses (EPR) spektrometrijas metodi. Balstoties uz iegūtajiem rezultātiem, novērtēts uzkrāto paramagnētisko radiācijas defektu un radiolīzes produktu radiācijas ķīmiskais iznākums (G) atkarībā no starojuma veida, starojuma enerģijas, absorbētās dozas un minilodīšu ķīmiskā sastāva.

Virtuālās mobilitātes ietvaros (15.11.2021.-15.12.2021.) sadarbībā ar Karlsrūes Tehnoloģiju institūta Lietišķo materiālu institūtu (Karlsrūe, Vācija) ir raksturotas litija ortosilikāta minilodītes ar litija metatitanāta piedevām pirms apstarošanas eksperimentiem, izmantojot dažādas fizikāli-ķīmiskās analīzes metodes. Minilodītes ir analizētas Karlsrūes Tehnoloģiju institūta Lietišķo materiālu institūtā ar rentgenfluorescences (XRF) un induktīvi saistītās plazmas optiskās emisijas spektrometrijas (ICP-OES) metodi, bet Latvijas Universitātes Ķīmiskās fizikas institūtā ir veikti pulvera rentgendifraktometrijas (p-XRD), pilnīgas iekšējās atstarošanās Furjē transformāciju infrasarkanās (ATR-FTIR) spektrometrijas un termogravimetrijas/differenciāli termiskās analīzes (TG/DTA) mērījumi. Saziņa ar starptautiskajiem sadarbības partneriem notikusi, izmantojot dažādas tiešsaistes darba formas, t.sk., e-pastus.

Ņemta dalība 20. starptautiskās konferences par kodoltermiskās sintēzes reaktoru materiāliem jeb ICFRM-20 (20th International Conference on Fusion Reactor Materials) tiešsaistes stendu referātu sekcijā ar ierakstītu mutisku video prezentāciju, saziņai ar konferences dalībniekiem ir izmantota Zoom platforma (27.10.2021). Iesniegtās tēzes “Influence of fabrication related effects on radiation-induced processes in lithium orthosilicate-based ceramics” ir publicētas šīs konferences tēžu grāmatā.

Pirms apstarošanas eksperimentu veikšanas ar augstas enerģijas paātrinātiem joniem, Latvijas Universitātes Ķīmiskās fizikas institūtā ir izstrādāta paraugu sagatavošanas un raksturošanas metodika, izmantojot iepriekš apstarotus litija ortosilikātu saturošus tablešu paraugus ar 2 MeV ūdeņraža un 10 MeV skābekļa joniem. Izmantojot programmu SRIM (no angļu val. Stopping and Range of Ions in Matter) novērtēja jonu elektroniskos un kodola (nukleāros) enerģijas zudumus, kā arī jonu noskrējienu pētāmajā materiālā. Uzkrātos radiācijas defektus un radiolīzes produktus analizēja ar EPR spektrometrijas un TSL metodi.

Zoom platformā (21.12.2021) ņemta dalība videokonferencē ar starptautiskajiem sadarbības partneriem no Karlsrūes Tehnoloģiju institūta Lietišķo materiālu institūta (Vācija) un Al-Farabi Kazahstānas Nacionālās universitātes Eksperimentālās un teorētiskās fizikas institūta (Kazahstāna). Sanāksmē ir apspriesti in-situ tritija izdalīšanās mērījumu rezultāti paraugiem, kas apstaroti ar neitroniem paaugstinātā temperatūrā.

Pārskata periodā ir iegūtas Latvijas Zinātnes padomes (LZP) eksperta tiesības dabaszinātnēs (nozare: ķīmija, apakšnozare: radiācijas ķīmija, lēmuma Nr. 1-12-60, datums: 07.10.2021).

V ceturksnis (01.01.2022. - 31.03.2022.)

Projekta piektajā ceturksnī ir turpināts analizēt jonizējošā starojuma izraisītus procesus litija ortosilikāta minilodīšu paraugos ar četriem dažādiem litija metatitanāta daudzumiem pēc to apstarošanas ar 6 MeV paātrinātiem elektroniem (absorbētā doza: 8 un 10 kGy, dozas jauda: 6 Gy/min, istabas temperatūrā, gaisā), lai simulētu sekundāro elektronu izraisītus procesus. Litija ortosilikāta minilodītēs uzkrātos paramagnētiskos radiācijas defektus un radiolīzes produktus analizē ar elektronu paramagnētiskās rezonanses (EPR) spektrometrijas metodi.

Lai analizētu augstas enerģijas jonu izraisītus procesus, izgatavotās litija ortosilikāta minilodītes ar litija metatitanāta piedevām ir atsevišķi un secīgi apstarotas ar 9 MeV hēlija un 2,25 MeV ūdeņraža joniem sadarbībā ar DTF-LNF-CIEMAT (Madride, Spānija). Hēlija un ūdeņraža jonu elektroniskos un kodolu (nukleāros) enerģijas zudumus un jonu noskrējienu pētāmajā materiālā novērtē ar programmu SRIM (no angļu val. Stopping and Range of Ions in Matter). Apstarotos paraugus analizē ar četrām savstarpēji papildinošām metodēm: EPR, Furjē transformāciju infrasarkano (FTIR), termiskās desorbcijas – kvadrupola masas spektrometriju (TD-QMS) un termostimulētās luminiscences (TSL) metodi. Lai novērtētu uzkrāto radiācijas defektu un radiolīzes produktu termisko stabilitāti un rekombinācijas procesus, apstarotos paraugus izohroniski atdedzina mufeļkrāsnī gaisa atmosfērā.

Balstoties uz iegūtajiem rezultātiem, sagatavots un iesniegts manuskripts publicēšanai Journal of Nuclear Materials (ietekmes koeficients: 2,936, Q1 žurnāls, indeksēts Scopus un Web of Science datubāzē). Journal of Nuclear Materials ir top 25% žurnāls jomās “Kodolfizika un augstas enerģijas fizika” (“Nuclear and High Energy Physics”) un “Kodolenerģija un inženierija” (“Nuclear Energy and Engineering”). Manuskriptā ir apkopoti iegūtie rezultāti par paramagnētisko radiācijas defektu termisko stabilitāti litija ortosilikātu saturošos keramikas paraugos pēc apstarošanas ar augstas enerģijas fotonu starojumu.

Iegūto rezultātu izplatīšanai ir sagatavotas un iesniegtas tēzes dalībai ar stenda referātiem divos starptautiskos simpozijos: 32. simpozijs par kodoltermiskās sintēzes tehnoloģiju (32nd Symposium on Fusion Technology, SOFT-2022) un 15. starptautiskais kodoltermiskās sintēzes tehnoloģiju simpozijs (15th International Symposium on Fusion Nuclear Technology, ISFTN-15).

VI ceturksnis (01.04.2022. – 30.06.2022.)

Projekta sestajā ceturksnī realizēta klātienes mobilitāte uz Karlsrūes Tehnoloģiju institūta Lietišķo materiālu institūtu, Vācija (01.05.2022. – 21.05.2022.), tās laikā ir apmeklētas divas kodoltermiskās sintēzes keramikas materiālu darba grupas sanāksmes par litija ortosilikātu saturošu keramikas minilodīšu paraugu izgatavošanas procesa pilnveidi un aktuālajām zinātniskās pētniecības tēmām. Apmeklēts KArlsrūes Litija OrtoSilikāta (KALOS) komplekss litija ortosilikātu saturošu keramikas minilodīšu izgatavošanai, t.sk., KALOS un KALOS-Upgrade iekārta un iepazīti to darbības pamatprincipi. Apmeklēta eksperimentālā iekārta Hēlija cilpa Karlsruē (HELOKA) un apskatīta HEMAT sistēma, kas tuvākajā laikā tiks izmantota litija ortosilikātu saturošu keramikas minilodīšu testēšanai augstā temperatūrā hēlija atmosfērā. Noklausīta instruktāža par: (1) vispārīgajiem darba drošības noteikumiem laboratorijā, darbu ar ķīmiskām vielām, aizsarglīdzekļiem, ķīmisko vielu pārstrādi u.c.; (2) radiācijas drošību un nokārtots rakstisks tests par drošību darbā ar rentgendifraktometrijas jeb XRD iekārtu; (3) paraugu sagatavošanas metodēm, analīzes iespējām un galvenajiem litija ortosilikātu saturošu keramikas minilodīšu paraugu analīzes parametriem, lietojot D2 PHASER galda izmēra XRD iekārtu. Izmantojot iepriekš minēto XRD iekārtu, noteikts fāžu sastāvs divu veidu litija ortosilikātu saturošu keramikas minilodītēm, kas ir izgatavotas ar KALOS iekārtu. Paraugiem, kas iegūti ar dažādām izgatavošanas metodēm, ir veikti mērījumi ar dažādiem analīzes parametriem. Kristālisko fāžu sastāvs noteikts, izmantojot iekārtas bibliotēku Crystalography Open Database. Iegūtie dati ir salīdzināti ar pavājinātās pilnīgās atstarošanās-Furjē transformācijas infrasarkanās (ATR-FTIR) spektrometrijas un termogravimetrijas/differenciāli termiskās analīzes (TG/DTA) rezultātiem, kas ir iegūti Latvijas Universitātes Ķīmiskās fizikas institūtā.

Balstoties uz iegūtajiem termostimulētās luminiscences (TSL), elektronu paramagnētiskās rezonanses (EPR) un termiskās desorbcijas – kvadrupola masas spektrometrijas (TD-QMS) metodes datiem, novērtēti uzkrāto radiācijas defektu un radiolīzes produktu rekombinācijas un gāzveida savienojumu izdalīšanās procesu temperatūru diapazoni litija ortosilikātu saturošu keramikas tablešu paraugiem, kas apstaroti ar augstas enerģijas joniem. Izmantojot ATR-FTIR mikrospektrometriju, noteikts, ka, saskarē ar gaisa atmosfērā esošajām gāzēm, (ūdens tvaiku un oglekļa dioksīdu) uz tablešu virsmas veidojas hemisorbcijas produktu slānis, kas galvenokārt sastāv no litija karbonāta.

Novadīts un aizstāvēts viens bakalaura darbs par augstas enerģijas jonizējošā starojuma izraisītu radiācijas defektu analīzi litija ortosilikātu un litija metatitanātu saturošos paraugos Latvijas Universitātes Ķīmijas fakultātē un recenzēti divi bakalaura darbi.

Projekta zinātniski-pētnieciskās darbības rezultāti plašākai sabiedrībai popularizēti pasākumā “Ēnu dienas 2022” (06.04.2022.).

Iegūto zinātnisko rezultātu izplatīšanai ir sagatavotas un iesniegtas trīs tēzes dalībai ar stenda referātiem divās starptautiskās konferencēs: “Funkcionālie materiāli un nanotehnoloģijas 2022” (FMNT-2022) un 24. starptautiskajā zinātniskajā konferencē-skolā “Uzlabotie materiāli un tehnoloģijas” (24th International Conference – School “Advanced Materials and Technologies”, AMT-2022).

Starptautiskās zinātniski pētnieciskās sadarbības veicināšanai, pārskata periodā pēcdoktorants ir kļuvis par Enerģētikas, vides un tehnoloģiju pētniecības centra Nacionālā kodoltermiskās sintēzes laboratorijas (CIEMAT-LNF) starptautiskās komitejas dalībnieku.

Pēdējās izmaiņas veiktas