Studentská vědecká konference

Niobičnan sodno-draselný (K_xNa_1-xNbO₃ / KNN) je jedním z bezolovnatých keramických materiálů vykazující piezoelektrické vlastnosti, které jsou zásadní pro aplikace jako ultrazvuky, sonary, senzory nebo sběrače energie. Se snahou nalézt alternativu k olovnatým piezoelektrickým materiálům (kvůli toxicitě olova) se zvyšuje zájem o různé alternativy, z nichž jednou by mohlo být právě KNN. Jedním z důležitých faktorů pro možné aplikace tohoto materiálu jsou i jeho elastické vlastnosti.  Cílem práce proto bylo zkoumání elastických vlastností vzorků KNN v závislosti na jejich fázovém složení a pórovitosti. Vzorky byly připraveny ze tří různých výchozích prášků, z nichž dva byly komerční (American Elements, USA; Cerpotech, Norsko) a jeden syntetizovaný zde na VŠCHT Praha. Za účelem lisování bylo k práškům přidáno 5–7,5 hmotnostních % isopropanolu. Uniaxiální lisování trámečků probíhalo při tlaku 75 MPa. Vzorky byly následně vypáleny po dobu 2 hodin při teplotě 1100 °C a rychlosti ohřevu 100 °C/h. Z důvodu rozpustnosti KNN ve vodě byla pórovitost určena geometricky. Dále byl stanoven Youngův modul pomocí metody impulzní excitace. Experimentálně zjištěné hodnoty byly porovnány s předpověďmi a diskutovány v souvislosti s fázovým složením jednotlivých vzorků a výchozích prášků.

Vitrification is one of the safest methods for the treatment and stabilization of nuclear waste. In our work, we are focusing on the issue of technetium volatilization during the vitrification process, developing and testing various glass melter feeds that exhibit high retention of rhenium (surrogate for radioactive technetium). Recently, we found that the source of alumina can have a significant impact on the rhenium retention. Our hypothesis is that during melting, gibbsite dehydrates to nano-crystalline amorphous alumina with high specific surface area. This causes that the early melt (containing Re) is adsorbed on the amorphous alumina surface, which turns to early glass-forming phase at about 600-700°C, increasing the diffusion of Re from the salt phase (from which it later easily volatilizes) into the glass-forming melt. To better understand this proccess, we performed specific surface area measurements, XRD, NMR, and XRF using a simulated low-activity waste with different alumina sources. For example, Fig. 1 displays the results of NMR analysis for the feeds with gibbsite, where we see the crystalline peaks are present until 300°C, and for kyanite, where those peaks remain present until higher temperatures.  

During the vitrification process, nuclear waste is mixed with glass-forming additives and immobilized in the form of borosilicate glass. One of the glass-forming additives is aluminum, which enhances the chemical durability of the final glass. In our previous research, we found that the chemical form of the alumina source can significantly affect the retention of volatile rhenium (a non-radioactive surrogate for volatile technetium) during the vitrification of nuclear waste feed to glass. In our research, we used a representative low-activity waste glass feed (AN-102) with different alumina sources to demonstrate its effect on Re retention. Specifically, we used kyanite (Al₂SiO₅), gibbsite (Al(OH)₃), boehmite (AlOOH), and corundum (Al₂O₃) with various particle sizes, and measured the Re retention during melting using ICP-MS and XRF. The highest retention of rhenium was observed in the boehmite feed, followed by gibbsite and corundum feeds, with kyanite feed retaining the lowest amount of Re. The results of this work thus have the potential to significantly improve the single-pass Re/Tc retention during nuclear waste vitrification. Currently, leaching tests are being performed to understand the phenomenon of Re diffusion from the molten salt phase into the glass-forming melt. 

Základem pevného elektrolytu je fosforečné sklo obsahující lithné ionty, které zajišťují jeho iontovou vodivost. Toto sklo bylo připraveno z uhličitanu lithného a hydrogenfosforečnanu amonného smíchaných v různých poměrech. Obě látky byly společně homogenizovány v třecí misce a následně taveny v elektrické peci při teplotě 1100 °C za vzniku meta- nebo orthofosforečnanu lithného (LiPO₃, Li₃PO₄). Tavenina byla odlita a po vychladnutí rozemleta. Vzniklé částice o rozměrech v řádu mikronů byly dispergovány do roztoku tetraethyl orthosilikátu a polyvinylpyrrolidonu, případně s přídavkem LiCl, v ethanolu, a z těchto suspenzí byla metodou elektrospinningu tvořena vlákna. Byly zkoumány vlastnosti připravených elektrolytů a vzniklých vláken metodou ICP, konfokální mikroskopií a impedanční spektroskopií.  Aktuální výzkum za podpory Škoda Auto a.s. je zaměřen na využití pevného elektrolytu v pevných bateriích elektromobilů. Tím se zvýší jejich bezpečnost, jelikož tento pevný elektrolyt je nehořlavý. Také se zlepší energetická hustota energie baterie a dojezdová vzdálenost automobilu při současném zkrácení doby nabíjení.   

Important consideration during glass melting process is the integrity of the melting vessels, which require refractory lining that can withstand corrosive environment and high temperature. In this work we evaluate both the melt line (neck) and subsurface (bulk) corrosion of high chromium-aluminum refractory used for vitrification of nuclear waste, aiming to develop corrosion rate models as a function of flow rate, melt composition, and temperature. In our work, we use a dynamic plate test consisting of refractory slabs fixed in a rotating cylindrical platinum-rhodium crucible filled with 2,5 kg of molten glass. The melt velocity around the refractory slabs is regulated by the rotation speed. After 24 hours, the slabs are removed from the glass, embedded in epoxy resin, sectioned, and analyzed. In this work we found that the increase in melt velocity increases the subsurface corrosion rate, but that the neck (flux line) corrosion appears to be virtually independent of it, and evaluated the corrosion rate for different waste glass compositions. This work will continue by evaluating the effect of temperature and investigation of the refractory wear occurring by spalling, which can be caused by melt level changes and contact of cold feed slurry with hot refractory walls.  

Povrch skla má vliv na řadu jeho vlastností, například na chemickou odolnost. V experimentální části se vzorky vystavily koroznímu prostředím, následně se jejich povrch analyzoval pomocí SEM (rastrovací elektronová mikroskopie), EDX (rtg. mikroanalýza), TOF – SIMS (Spektroskopie sekundárních iontů s Time-of-Flight detekcí) a získané výsledky se porovnaly s analýzami čistého skla. Vzorky ze sklenice byly vystaveny po dobu 14 dnů vlhkému vzduchu (80 rel% vlhkosti při 80 °C) a demineralizované vodě při 80 °C. Pomocí EDX bylo zjištěno, že došlo ke změně složení povrchu skel, ale nebyl nalezen rozdíl mezi vnějším a vnitřním povrchem sklenice. U skla ve vodě došlo k migraci iontů alkalických kovů k povrchu a k jejich následnému vyluhování do vody. U skla ve vlhkém prostředí se předpokládá, že došlo pouze k prostorové redistribuci iontů v objemu skla, což způsobilo formální pokles jejich koncentrace, měřené pomocí EDX. Tato redistribuce pak byla podrobněji zkoumána pomocí TOF-SIMS. Ve vlhkém prostředí činil úbytek iontů alkalických kovů oproti hodnotám naměřeným u vzorků čistého skla 10 at.rel% pro Na a 21 at.rel% pro K. U skla ve vodě byl úbytek 19 at.rel% pro Na a 34 at.rel% pro K.

V současnosti aktivně probíhá výzkum v oblasti transparentní keramiky, která má široké využití v oblasti laserů, raketových kopulí, optických čoček atd. Kromě klasické jednofázové transparentní keramiky, roste zájem i o transparentní keramické nanokompozity, tedy materiály, které kombinují dvě a více různých fází za účelem dosažení např. výjimečné mechanické odolnosti, ale zároveň vysoké průhlednosti. Dosažení vysoké průhlednosti je oproti klasické jednofázové transparentní keramice větší výzvou, protože přítomnost druhé fáze vede k rozptylu světla. Z tohoto důvodu je třeba přípravu a následnou mikrostrukturu těchto materiálů pečlivě řídit. Cílem této práce je proto prozkoumání vlivu rozptylu světla na průhlednost (transmitanci) v infračervené oblasti spektra v nanokompozitech na bázi Y₂O₃-MgO. Zkoumán bude zejména vliv velikosti rozptylujících částic (o velikosti 0,14–1 µm) a jejich koncentrace (objemová frakce 10–50 %) v závislosti na vlnové délce světla (0,5–5,5 µm) pomocí modelování rozptylu světla Rayleigh-Gansovou aproximací. V rámci této práce bude navíc ukázáno, že Rayleigh-Gansova aproximace poskytuje výsledky velice blízké exaktní Mieově teorii, a tudíž je vhodným způsobem pro modelování rozptylu světla v tomto druhu systémů.

Elektrospinning je velmi slibná metoda pro ekonomickou kvantitativní výrobu nanovláken. Charakter produktu je však silně závislý na optimalizaci parametrů elektrospinningu. Vliv mají vlastnosti zvlákňované látky, tok zvlákňované látky, vlastnosti elektrického pole, vlastnosti kapiláry a vlastnosti prostředí. Pro každou disperzní směs jsou kritické hodnoty veličin odlišné. V této práci byly zkoumány detailně vlivy napětí, toku zvlákňované látky a vzdálenosti kapilára-kolektor, protože se jedná o snadno nastavitelné parametry nevyžadující modifikaci zvlákňované látky, což je pro mnoho aplikací zásadní. Dále byly zkoumány trendy vlivu délky a vnitřního průměru kapiláry a vlastností zvlákňované látky. Získaná vlákna byla předběžně zhodnocena optickou mikroskopií, poté byly vybrané vzorky charakterizovány konfokální mikroskopií (Olympus LEXT™ OLS5000), případně skenovací elektronovou mikroskopií (TESCAN VEGA3). Na základě této charakterizace byly stanoveny optimální kombinace napětí, toku zvlákňované látky a vzdálenosti kapilára-kolektor za daných ostatních podmínek a tendence vlivu délky a vnitřního průměru kapiláry a vlastností zvlákňované látky pro různé disperzní směsi využívané pro výrobu skelných nanovláken pro speciální aplikace.