Một báo cáo mới đây của Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos cung cấp sự hiểu biết mới về những gì làm cho một số vật liệu phức hợp chịu được phóng xạ trong khi những vật liệu khác bị phá vỡ. Phát hiện này có thể đưa đến những cải tiến mới cho cả sản xuất nhiên liệu hạt nhân và lưu trữ chất thải hạt nhân.

Mục đích của các dự án nghiên cứu như vậy là để hiểu ở mức độ cơ bản cách vật liệu phản ứng khi bị chiếu xạ và phản ứng đó phụ thuộc như thế nào vào các tính chất cơ bản của vật liệu, chẳng hạn như cấu trúc tinh thể và hóa học tinh thể của nó. Tập trung vào gốm oxit có ứng dụng tiềm năng cho lưu trữ chất thải hạt nhân và phát triển các loại nhiên liệu hạt nhân tiên tiến, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng, những khác biệt cơ bản trong cấu trúc vật liệu đóng vai trò quan trọng trong cách những vật liệu này đối phó lại với phóng xạ.

“Đã có rất nhiều nghiên cứu tìm hiểu những gì làm cho một loại gốm phức hợp phù hợp cho các ứng dụng năng lượng hạt nhân. Kết quả của chúng tôi khái quát những kết quả trước đây và cung cấp một lộ trình mới cho phát triển các vật liệu chịu được phóng xạ”, Blas Uberuaga - tác giả chính của bài báo cho biết.

- Sự hoán đổi các cation tương đối dễ dàng là chìa khóa cho khả năng chịu được phóng xạ

Bằng cách kết hợp mô tả thực nghiệm và các kỹ thuật mô phỏng, các nhà nghiên cứu Los Alamos xác định rằng các loại oxit phức hợp khác nhau về cơ bản có phản ứng khác nhau đối với phóng xạ. Nhiều thập kỷ nghiên cứu một loại oxit phức hợp, pyrochlore (A2B2O7), đã tiết lộ rằng, có những tương quan giữa khả năng của các cation (A và B) hoán đổi vị trí và khả năng chịu được phóng xạ của vật liệu. Đó là, đối với các pyrochlore trong đó A và B có thể dễ dàng hoán đổi (chẳng hạn khi A = Er và B = Zr), vật liệu này có khả năng chịu được phóng xạ.

Ngược lại, đối với pyrochlore trong đó sự hoán đổi này là khó khăn (A = Er và B = Ti), vật liệu này nhanh chóng trở nên vô định hình trong môi trường phóng xạ. Sự chuyển đổi từ cấu trúc tinh thể sang cấu trúc vô định hình như vậy không những làm giảm hiệu suất mà kèm theo đó là những thay đổi về khối lượng và khả năng của các hình thái khác lan ra trong vật liệu.

- Các oxit khác nhau cho các kết quả khác nhau

Các nhà nghiên cứu Los Alamos chuyển sự chú ý của họ sang một loại oxit phức hợp khác là spinel (AB2O4) để xem liệu nó có nắm giữ mối tương quan tương tự như vậy không. Họ chiếu xạ 3 thành phần hóa học khác nhau của spinel và kiểm tra các spinel này phản ứng như thế nào với phóng xạ. Họ vô cùng ngạc nhiên khi phát hiện những hành vi ngược lại với những gì được thấy trong pyrochlore: trong spinel, nếu các cation A và B khó hoán đổi vị trí, vật liệu này có khả năng chịu được phóng xạ nhiều hơn, chứ không phải ít hơn. Sử dụng các phương pháp mô phỏng nguyên tử, các nhà nghiên cứu cho là sự khác biệt này là do cách thức cơ bản trong đó các nguyên tử A và B được sắp xếp.

“Trong pyrochlore, các nguyên tử A và B được đóng gói rất chặt và không có chỗ để di chuyển xung quanh. Tuy nhiên, trong spinel, chúng không bị đóng gói quá chặt. Có những lỗ hổng trong cấu trúc tạo điều kiện cho sự sắp xếp lại của các nguyên tử. Đây là sự khác biệt chính giữa spinel và pyrochlore, một sự khác biệt mà chúng tôi tin rằng, có ở các loại oxit phức hợp khác”, Uberuaga nói.

Hiểu biết mới này khái quát những hiểu biết có được từ các nghiên cứu pyrochlore trước đó và cung cấp những cơ hội mới cho việc xác định các oxit chịu được phóng xạ cho các ứng dụng hạt nhân.

Nguồn: Tạp chí KH&CN Việt Nam, ngày 12/11/2015.