High temperature behaviour of nuclear materials investigated by laser heating and fast pyrometry

The main goal of this work has been the study of the high temperature behavior of some high-melting oxides of interest for the nuclear industry. In particular, the investigated ThO2 and (U,Th)O2 mixed oxides can be employed as a “sustainable” nuclear fuel. Other oxides (CaO, CeO2) have been studied in parallel, to better understand the optical transparency effect, typical of ThO2, and their oxygen behavior. Many experimental difficulties have been faced (e.g., high chemical reactivity, fast oxidation/reduction processes, volatilization, interaction of the specimens with the container, temperature detection itself). New experimental data have been produced by using an innovative method, developed at the Institute for Transuranium Elements (Germany), and based on laser heating coupled with fast pyrometry. Current results are in fair agreement with literature, whereby they add new important data points to databases which are still limited and uncertain. In particular, the melting behavior of CaO has been studied under reducing and oxidizing conditions for the first time. This approach has shown that the large discrepancy found in literature is due to the paramount influence of the environment on its melting behaviour. Similar results have been obtained for CeO2. Moreover, the high-temperature phase diagram of the UO2-ThO2 system has been re-assessed. The solidus/liquidus lines, which define the melting behaviour of this nuclear fuel and constitute fundamental information for the reactor design, have been observed to present a minimum melting temperature around 3050 K for a composition of 5 mol% ThO2. For higher ThO2 contents, the most recent literature data on the melting point of pure ThO2 (around 3620 K) have been reproduced. Moreover, the current method has been validated through the measurements of the radiance temperature of melting of five refractory metals (secondary references points for the ITS-90). These tests have also served to identify some important error sources. Finally, a set of experimental data was produced to validate a theoretical model for the simulation of fast laser experiments, and the spatial beam profile of the employed laser was determined.

L’obiettivo principale di questo lavoro è stato lo studio ad alta temperatura di alcuni ossidi alto fondenti di interesse nucleare, in particolare ThO2 e gli ossidi misti (U,Th)O2, che potrebbero essere impiegati come combustibile nucleare “sostenibile”. Sono stati studiati in parallelo altri ossidi (CaO, CeO2) per una migliore comprensione dell’effetto ottico di trasparenza, tipico del ThO2. Si sono affrontate diverse problematiche come l'elevata reattività chimica, i veloci processi di ossidazione/riduzione, la volatilizzazione e l’interazione dei campioni con il contenitore. Sono stati ottenuti nuovi dati sperimentali utilizzando un metodo sviluppato all’Istituto dei Transuranici (Karlsruhe, Germania), che si basa su riscaldamento laser accoppiato a pirometria veloce. I risultati sono in buon accordo e aggiungono nuovi importanti dati all’esistente letteratura. E’ stato studiato il comportamento ad alta temperatura del CaO, per la prima volta in atmosfera riducente e ossidante. Questo approccio ha evidenziato come la temperatura di fusione sia fortemente influenzata dall’atmosfera utilizzata. Sono stati ottenuti risultati simili per il CeO2. Si è inoltre caratterizzato il diagramma di fase ad alta temperatura del sistema UO2-ThO2. Le linee di solidus/liquidus, che definiscono il comportamento del combustibile nucleare a temperature prossime alla fusione, mostrano un minimo attorno a 3050 K per una composizione di 5 mol% di ThO2. Per composizioni prossime alla toria pura, la temperatura di fusione è stata riprodotta in accordo con i più recenti dati di letteratura (circa 3620 K). In aggiunta, il metodo sperimentale usato è stato validato mediante la misurazione della temperatura di radianza di fusione di cinque metalli refrattari, riferimenti secondari per ITS-90. Attraverso questa attività sono state inoltre individuate nuove fonti di errore. Infine, è stato prodotto un set di dati sperimentali per la validazione di un modello teorico per la simulazione di esperimenti di riscaldamento laser ed è stato misurato il profilo spaziale del raggio laser usato.