The PuO2-Fe3O4 system melting behaviour : an experimental analysis

The main purpose of this thesis work is the experimental determination of the phases that would form at high temperature following nuclear fuel – steel cladding interaction. The main driver to this research project was the lack of specialised literature in such a relevant area of development of Gen IV nuclear reactors. This goal was pursued by means of laser – optical thermometry at JRC – Karlsruhe, resulting in the phase diagram experimental determination for the PuO2 – Fe3O4 system reported in this work. The first result consisted in the successful fabrication of pellets containing various concentrations of Pu and Fe over the whole composition range. Sample characterisation was performed both on fresh and molten samples to investigate structural changes following melting experiments via SEM and XRD. The experimental setup was then assembled, calibrated, and aligned together with a precise estimation of experimental uncertainties. Another fundamental result obtained in the framework of this thesis is the successful implementation and exploitation of an oxygen analyser during melting point assessment. This device allowed for the first time to determine the influence of atmosphere during measures and enhanced our understanding of relevant undergoing phenomena related to oxidation states. This influence was shown to be non-negligible during melting, thus data collected in this work will pave the design stage of future nuclear reactors against accidental scenarios.

Lo scopo principale di questo lavoro di tesi è la determinazione sperimentale delle fasi che si formerebbero ad alta temperatura in seguito all'interazione del combustibile nucleare con la guaina in acciaio. Il motore principale di questo progetto di ricerca è stata la mancanza di letteratura specializzata in un'area così rilevante per lo sviluppo di reattori nucleari di IV generazione. Questo obiettivo è stato perseguito per mezzo di termometria laser - ottica al JRC di Karlsruhe, con conseguente determinazione sperimentale del diagramma di fase per il sistema PuO2 - Fe3O4 riportato in questa tesi. Il primo traguardo di questo lavoro è consistito nella fabbricazione con successo di pastiglie contenenti varie concentrazioni di Pu e Fe nell'intero intervallo di composizioni. La caratterizzazione dei campioni è stata eseguita sia su pastiglie fresche che fuse, per studiare i cambiamenti strutturali in seguito alle alte temperature, tramite SEM e XRD. L’apparato sperimentale è stato poi assemblato, calibrato e allineato insieme a una stima precisa delle incertezze di misura. Un altro risultato fondamentale ottenuto nell'ambito di questa tesi è l'implementazione e lo sfruttamento con successo di un rilevatore di ossigeno durante la fase sperimentale. Questo dispositivo ha permesso per la prima volta di determinare l'influenza dell'atmosfera durante le misure, e ha migliorato la nostra comprensione dei fenomeni di ossidazione e riduzione durante il cambiamento di fase. Influenza che si è dimostrata non trascurabile, e i cui dati raccolti in questo lavoro svolgeranno un ruolo chiave durante la fase di progettazione dei futuri reattori nucleari, per via dell’importante riduzione del punto di fusione osservata.