Однією з головних проблем розвитку термоядерних технологій є радіаційна стійкість і тривалість надійної роботи всіх систем реактора, важливою частиною яких є системи діагностики, в тому числі оптичні вікна для безконтактної діагностики процесів всередині реактора. Серед діелектричних матеріалів для оптичних вікон деякі мають вищу радіаційну стійкість до інтенсивних нейтронно-гамма-потоків, що генеруються запаленою плазмою, наприклад, алюмінієво-магнієва шпінель MgAl2O4, в той час як їх стійкість може виявитися недостатньою для наступних поколінь термоядерних пристроїв. Сьогодні прийнято вважати, що висока радіаційна стійкість MgAl2O4 зумовлена особливостями кристалічної структури шпінелі, які пов'язані з наявністю порожніх вузлів ґратки. З іншого боку, ця ж обставина призводить до можливості так званої інверсії заповнення катіонних вузлів і утворення антисайтових дефектів Mg[Al] і Al[Mg], які, в свою чергу, призводять до погіршення оптичної прозорості як вихідного, так і опроміненого матеріалу. Мікроструктура і розмір кристалічного зерна полікристалічної оптичної кераміки також є факторами, що впливають на її радіаційну стійкість. Цей проект присвячений вивченню можливості впливу на фактори, що визначають прозорість та радіаційну стійкість оптичної кераміки, шляхом катіонного заміщення з контролем технологічних умов синтезу та спікання. Зміна хімічного складу, катіонної та кисневої стехіометрії впливає на ряд властивостей матеріалу, таких як ширина забороненої зони та її дефектна підсистема, зокрема, на можливість утворення антивузлових дефектів (ступінь інверсії). Передбачається, що різниця радіусів катіонів A і B у структурі шпінелі AB2O4 може бути інструментом модифікації функціональних властивостей оптичної кераміки для термоядерних застосувань. Однак інші шпінельні композиції, окрім MgAl2O4, вивчені недостатньо, особливо з точки зору радіаційної стійкості до нейтронно-гамма-потоків. Запропонований проект має на меті встановити можливість підвищення радіаційної стійкості прозорих керамічних вікон, що використовуються у термоядерних технологіях, шляхом часткового або повного заміщення шпінелі Mg1–x AxAl2O4 (A = Zn, Ca, Sr, Ba).
У проєкті передбачається дослідити концентраційні ряди для кожного типу заміщення від х = 0 до значення, яке дозволяє зберегти кубічну структуру шпінелі. Такі порошки будуть синтезовані методами золь-гель та спалювання розчинів, а їх структура, морфологічні особливості, розмір та розподіл зерен будуть детально вивчені рентгеноструктурними, оптичними та іншими методами, а також буде досліджено вплив опромінення. На основі аналізу отриманих результатів будуть відібрані найбільш перспективні склади для подальшого спікання прозорої кераміки. Технологія спікання буде адаптована для нових складів шпінелі та супроводжуватиметься дослідженнями структури кераміки на атомному, нано- та мікрорівнях. Детальні дослідження впливу радіації на оптичну кераміку, її деградації та подальшого відновлення пошкоджень при підвищених температурах будуть проведені за допомогою оптичної спектрофотометрії, люмінесценції, ЕПР, термоактиваційної спектроскопії тощо; результати будуть порівняні з результатами для мінералу шпінелі MgAl2O4. Доповнюючою частиною є теоретичне моделювання – ab-initio симуляція рівноважної кристалічної структури відповідних катіонно-заміщених композицій шпінелі, електронної зонної структури, дослідження впливу на них інверсії катіонного заповнення. Очікується, що в результаті виконання проекту буде отримано та ретельно досліджено прозору кераміку нових катіонно-заміщених шпінелей для оптичних вікон, проаналізовано їхню поведінку при опроміненні та спрогнозовано радіаційну стійкість до нейтронно-гамма-потоків. Результати проекту дозволять визначити шляхи підвищення радіаційної стійкості оптичних вікон для термоядерних технологій.