Engineered microstructure composites as means of improving the oxidation resistance of uranium nitride

• Owing to its high uranium density and good thermophysical properties,uranium nitride (UN) fuel has been considered as a potential Accident TolerantFuel (ATF) candidate for use in Light Water Reactors (LWRs). However,the main disadvantage of UN is its low oxidation resistance in water/steamcontaining atmospheres at the operating temperatures of LWRs.The main objective of this thesis is to investigate a concept of engineeredmicrostructure composites as means of improving the response of UN to watersidecorrosion. The methodology for incorporating the corrosion resistantadditives in the form of metals, nitrides and oxides into the UN matrix hasbeen developed and tested. The additives were proposed to produce coated(no interaction with UN) or doped (incorporation of the additive into theUN bulk) grains, which will be able to shield the UN from the oxidising environmentand slow down the oxygen diffusion through the bulk. The UNcomposite pellets containing the selected additives were sintered using theSpark Plasma Sintering (SPS) technique. The resulting microstructures ofthe composite pellets were well characterised prior to subjecting some of theengineered microstructure representative samples to oxidation testing in airand steam containing environments.The obtained results indicate that the response to air and steam oxidationof the composite samples differs from that of pure UN. Moreover, a delay inthe oxidation onset was observed for the composite samples UN-20CrNpremixand UN-20ZrNpremix in steam and for UN-20CrNpremix pellet in air. Theimproved response to oxidation was accompanied by the formation of theternary oxides, an observation that could be applied to the screening processof the additive candidates for waterproofing of UN.

• På grund av dess höga urandensitet och goda termofysiska egenskaperhar urannitrid (UN) ansetts vara ett potentiellt Accident Tolerant Fuel (ATF)kandidat för användning i lättvattenreaktorer (LWR). Dock, den största nackdelenmed UN är dess låga oxidationsbeständighet i vatten/ånga-innehållandeatmosfärer vid driftstemperaturer för LWR.Huvudsyftet med denna avhandling är att undersöka ett koncept för konstruerademikrostrukturkompositer som ett sätt att förbättra urannitridenskorrosionstolerans på vattensidan. Metodik för att införliva korrosionsbeständigatillsatser i form av metaller, nitrider och oxider i UN-matrisen har utvecklatsoch testats. Tillsatserna föreslogs för att skapa en effekt av belagda(ingen interaktion med UN) eller dopade (inkorporering av tillsatsen iUN-matrisen) korn, som kommer att kunna skydda UN från den oxiderandemiljön eller bromsa syrediffusionen genom matrisen. UN kompositkutsarinnehållande de utvalda tillsatser har sintrats med tekniken Spark PlasmaSintering (SPS). De resulterande mikrostrukturerna hos kompositkutsarnakarakteriserades väl innan några av de mikrostrukturrepresentativa provernautsattes för oxidationstestning i luft- och ångainnehållande miljöer.De erhållna resultaten indikerar att svaret på luft- och ångaoxidation avde sammansatta proverna skiljer sig från det för UN. Dessutom observeradesfördröjningen i oxidationsstarten för kompositproverna UN-20CrNförblandningoch UN-20ZrNförblandning  i  ånga och för UN-20CrNföblandning kutsar i luft.Det förbättrade svaret på oxidation åtföljdes av bildningen av ternära oxider,en observation som kunde tillämpas på screeningsprocessen av tillsatskandidaternaför vattentätning av UN.

Subject headings

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Materialteknik -- Annan materialteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Materials Engineering -- Other Materials Engineering (hsv//eng)

Keyword

Physics

Fysik

Publication and Content Type

vet (subject category)

dok (subject category)