Augstas enerģijas starojuma izraisītu procesu izpēte modificētās tritiju ģenerējošās keramikās

Pētījuma pašreizējais stāvoklis:
Starptautiskajā eksperimentālajā kodoltermiskās sintēzes reaktorā jeb ITER (no angļu val. International Thermonuclear Experimental Reactor), kuru pašlaik būvē Kadarašā (Francija), pārbaudīs vairākus testa blanketa moduļu (TBM) koncepcijas, lai izstrādātu noslēgtu tritija atražošanas ciklu nākotnes kodoltermiskās sintēzes reaktoriem, piemēram, DEMO (no angļu val. DEMOnstration Power Station). Pašlaik litija ortosilikāta (Li₄SiO₄) un litija metatitānāta (Li₂TiO₃) keramikas minilodītes ir visdaudzsološākie kandidāti tritija ģenerēšanai ES izstrādātajā cieto materiālu TBM koncepcijā. Li₄SiO₄ ir augstāks litija blīvums un nedaudz labāka tritija izdalīšanās zemākās temperatūrās, savukārt, Li₂TiO₃ ir labākas mehāniskās īpašības.

Modificētās Li₄SiO₄ minilodītes (primārā fāze) ar Li₂TiO₃ piedevām (sekundārā fāze) ir izvirzītas kā alternatīvs materiāls tritija ģenerēšanai kodoltermiskās sintēzes reaktoros, lai apvienotu abu fāžu priekšrocības vienā tritiju ģenerējošā keramikā. Tomēr, lai izstrādātu un novērtētu jaunu, divfāžu sastāvu, tritiju ģenerējošai keramikai, ir ļoti svarīgi izprast augstas enerģijas starojuma izraisītus procesus Li₄SiO₄ minilodītēs ar dažādu Li₂TiO₃ daudzumu. Radiācijas defektu un radiolīzes produktu veidošanās Li₄SiO₄ minilodītēs var izraisīt termisko un mehānisko īpašību izmaiņas, uzbriešanu un mehāniskās stabilitātes samazināšanos, kā arī var būtiski ietekmēt ģenerētā tritija difūzijas un izdalīšanās procesus.

Projekta mērķi:

(1) Izpētīt un aprakstīt radiācijas defektu un radiolīzes produktu veidošanos, uzkrāšanos un rekombināciju Li₄SiO₄ minilodītēs ar dažādu Li₂TiO₃ daudzumu vienlaicīgā 5 MeV paātrināto elektronu un augstas temperatūras iedarbībā. Apstarošanas eksperimenti ar neitroniem ir dārgi un prasa rūpīgus plānošanas un sagatavošanās darbus radioaktīvo izotopu veidošanās un likumā noteikto prasību dēļ. Tamdēļ šajā projektā neitronu starojuma vietā izmantotos 5 MeV paātrinātos elektronus, lai Li₄SiO₄ minilodītēs veidotu un uzkrātu radiācijas defektus un radiolīzes produktus, vienlaikus izvairoties no kodolreakcijām un tādējādi radioaktīvo izotopu veidošanās.
(2) Nodrošināt ilgtermiņa sadarbību, zināšanu apmaiņu un partnerības stiprināšanu starp LU ĶFI (Latvija) un KIT IAM (Vācija).
(3) Projektā iesaistīto bakalaura studentu tālākizglītība.

1. KIT IAM (Vācija), 2019. gada februāris-marts:
   Li₄SiO₄ minilodīšu ar dažādu Li₂TiO₃ daudzumu izgatavošana un termiskā apstrāde. Neapstarotu minilodīšu sistēmiska izpēte ar:
   (1) skenējošo elektronu mikroskopiju (SEM) – virsmas un šķērsgriezuma mikrostruktūra;
   (2) induktīvi saistītās plazmas – optiskās emisijas spektrometriju (ICP-OES) – ķīmiskais sastāvs;
   (3) pulvera rentgendifraktometriju (p-XRD) – fāžu sastāvs;
   (4) dzīvsudraba porozimetriju – atvērtās poras, un hēlija piknometriju – slēgtās poras.
2. LU ĶFI (Latvija), 2019. gada aprīlis-maijs:
   Li₄SiO₄ minilodīšu ar dažādu Li₂TiO₃ daudzumu vienlaicīga apstarošana ar 5 MeV paātrinātiem elektroniem un augstu temperatūru. Neapstarotu un apstarotu minilodīšu sistemātiska izpēte ar:
   (1) elektronu paramagnētisko rezonanses (EPR) spektrometriju – uzkrātie paramagnētiskie radiācijas defekti un radiolīzes produkti (sadarbībā ar Latvijas Organiskās sintēzes institūtu);
   (2) absorbcijas spektrometriju – uzkrātie optiski aktīvie radiācijas defekti un radiolīzes produkti, saukti arī par krāsu centriem (sadarbībā ar Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūtu);
   (3) Termostimulētā luminiscences (TSL) metodi – uzkrāto radiācijas defektu un radiolīzes produktu rekombinācijas procesi;
   (4) Pilnīgās iekšējās atstarošanās Furjē transformāciju infrasarkano (ATR-FTIR) spektrometriju – fāžu sastāva izmaiņas;
   (5) Ramana spektrometrija – fāžu sastāva izmaiņas (sadarbībā ar Daugavpils Universitāti).
3. KIT IAM (Vācija), 2019. gada maija beigas
   (vidusposma sanāksmes iespējamais datums: 27.05.2019):
   Vidusposma sanāksme, lai apspriestu projektu izpildi un veiktu apstarotu Li₄SiO₄ minilodīšu ar dažādu Li₂TiO₃ daudzumu izpēte izmantojot:
   (1) SEM – virsmas un šķērsgriezuma mikrostruktūras izmaiņas;
   (2) p-XRD – fāžu sastāva izmaiņas;
   (3) dzīvsudraba porozimetriju – atvērtās poras, un hēlija piknometriju – slēgtas poras.
4. LU ĶFI (Latvija), 2019. gada jūnijs-septembris:
   Iegūto rezultātu apstrāde un raksta sagatavošana publicēšanai starptautiskā recenzētā zinātniskā žurnālā (piemēram, Fusion Engineering and Design vai Journal of Nuclear Materials).
5. LU ĶFI (Latvija), 2019. gada oktobra beigas

(noslēguma sanāksmes iespējamais datums: 30.10.2019.):
Noslēguma sanāksme, lai apspriestu iegūtos projekta rezultātus un turpmākās pētniecības un sadarbības iespējas.

Tiešā mērķa grupa: Šī projekta tiešā mērķa grupa veiks visus nepieciešamos eksperimentus un mērījumus, lai sasniegtu projekta mērķus. Turklāt tiešā mērķa grupa prezentēs iegūtos rezultātus vietējās un starptautiskās zinātniskajās konferencēs. Projektā iegūtos rezultātus publicēs starptautiskā recenzētā zinātniskā žurnālā (piemēram, Fusion Engineering and Design vai Journal of Nuclear Materials). Projekta ietvaros ir plānots sagatavot vismaz vienu publikāciju un piedalīties vismaz trīs zinātniskās konferencēs. Tiešā mērķa grupa sastāvēs no 10 personām.

Netiešā mērķa grupa: Šī projekta netiešā mērķa grupa būs tie, kas saņems informāciju par šī projekta rezultātiem. Starptautiskā kodoltermiskās sintēzes zinātniskās pētniecības kopiena ir mērāma tūkstošos. Projektā iegūtie rezultāti ir noderīgi un nepieciešami organizācijai „Fusion for Energy (F4E)”, EUROfusion konsorcijam un visiem ITER organizācijas partneriem, kas strādā pie tritiju ģenerējošo keramiku izstrādes nākotnes kodoltermiskās sintēzes reaktoriem (ES, Japāna, Ķīna, Dienvidkoreja un Indija).

Vidusposma sanāksme KIT IAM (Vācija).
Iespējamais datums: 27.05.2019
Dalībnieki: vismaz 5 personas
Dr. chem. Artūrs Zariņš, Bc. phys. Jānis, Čipa, Dr. rer. nat. Regina Knitter, Dr. rer. nat. Julia Heuser, MEng. Chem. Oliver Leys un citi kolēģi no KIT IAM.

Noslēguma sanāksme LU ĶFI (Latvija).
Iespējamais datums: 30.10.2019
Dalībnieki: vismaz 10 personas
Dr. chem. Artūrs Zariņš, Bc. phys. Jānis Čipa, Dr. chem. Gunta Ķizāne, Dr. chem. Larisa Baumane, Mg. chem. Mihails Haļitovs, Mg. chem. Līga Avotiņa, Mg. chem. Andris Leščinskis, Dr. rer. nat. Regina Knitter, Dr. rer. nat. Julia Heuser, MEng. chem. Oliver Leys un citi kolēģi no LU ĶFI.

Publiskie pasākumi projekta ietvaros būs pieejami visām ieinteresētajām personām.