High temperature investigation of nanostructured actinide oxides

Other studies have shown that the zone of UO2 nuclear fuel recrystallised under high irradiation in the nanometer-size range (high burn-up structure) has better fission gas retention and mechanical properties than the less irradiated fuel. This suggests that some synthetic actinide nanomaterials could be used as advanced nuclear fuels to reproduce these benefits. However, nanomaterials can show worse thermophysical properties crucial for the fuel safety, such as a lower melting temperature (Tm). The grain size dependence of Tm defines the performance limits of such potential advanced fuels. The present work is mainly focused on the investigation of possible melting point depression of nanocrystalline (nc) UO2 and ThO2, studying their behaviour above 1500 K for the first time. The technique used is based on sub-second laser heating and fast pyrometry. The apparatus included a probe laser. The changes in its reflected signal induced by vibrations of the molten surface have been used to detect the melting onset. Other material characterization techniques have also been applied. In particular, Raman Spectroscopy permitted a first non-destructive analysis of the local grain size evolution with temperature for nc-ThO2. Nc-UO2 with grains of (30 ± 20) nm underwent fast oxidation due to the high specific surface. The measured melting point depression (up to over 300 K below 3120 K, the Tm of micrometer sized UO2) was thus due both to size effect and oxygen hyperstoichiometry. Chemically more stable ThO2 was then studied in order to estimate the size effect only. Nc-ThO2 with grains of 3-5 nm was firstly studied to quantify the maximum possible melting variation. Although it was not possible to determine the exact melting onset temperature, the presence of liquid was detected 400-600 K below the Tm of micrometer sized ThO2 (3651 K). This experimental evidence is paramount in that it shows for the first time the occurrence of a large size effect on the melting point of this kind of refractory oxides. Further experiments are ongoing to confirm these first original results.

Altri studi hanno dimostrato che la zona del combustibile nucleare UO2 ricristallizzata con grani nanometrici sotto alto irraggiamento (high burn-up structure) ha migliori proprietà di ritenzione dei gas di fissione e meccaniche, rispetto al combustibile meno irraggiato. Composti sintetici di attinidi nanostrutturati potrebbero dunque essere impiegati come combustibili avanzati, riproducendo tali benefiche proprietà. Tuttavia, i nanomateriali possono manifestare peggiori proprietà termofisiche, come una inferiore temperatura di fusione. Essa è fondamentale per la sicurezza nei reattori, quindi la comprensione di una sua variazione in funzione della dimensione dei grani è cruciale per determinare pro e contro di tali potenziali combustibili. Questo lavoro è focalizzato sullo studio del possibile abbassamento della temperatura di fusione per UO2 e ThO2 nanocristallini (nc), studiati qui per la prima volta sopra i 1500 K usando un riscaldamento laser rapido e pirometria. L’apparato include un laser sonda: le variazioni nel segnale riflesso indotte da vibrazioni della superficie liquida rivelano l’inizio della fusione. Sono state applicate anche altre tecniche di caratterizzazione. In particolare, la Spettroscopia Raman è stata usata come metodo non distruttivo per un’analisi locale dell’evoluzione termica della dimensione dei grani per nc-ThO2. Nc-UO2 con grani di (30 ± 20) nm subisce una rapida ossidazione per l’elevata superficie specifica. L’abbassamento misurato (fino a 300 K sotto 3120 K, temperatura di fusione di UO2 bulk) è dunque dovuto a effetti sia di dimensione sia di stechiometria. Per stimare il solo contributo dei primi, è stato studiato il ThO2, chimicamente più stabile, analizzando nc-ThO2 con grani di 3-5 nm, per quantificare il massimo abbassamento possibile. Benchè non sia stato possibile determinare l’inizio della fusione, la presenza di liquido è stata misurata a 400-600 K sotto la temperatura di fusione del ThO2 bulk (3651 K). Questa è la prima evidenza sperimentale di un notevole effetto legato alla dimensione dei grani in questo tipo di ossidi refrattari. Ulteriori esperimenti sono in corso per confermare questi primi originali risultati.