Production and Characterization of ZrN and PuN Materials for Nuclear Fuel Applications
Doktorsavhandling, 2016

At the heart of a nuclear reactor resides its fuel. The chemical composition of the nuclear fuel affects the performance of several key properties important for the overall operation and safety performance of the reactor. The energy-producing reactors presently operational in the world utilize oxide-based nuclear fuel, which has been the dominating fuel form throughout the history of commercial nuclear power. The concept of nitride-based nuclear fuel is not new and development in the field, together with studies on actinide nitride properties, has been conducted for 50-60 years, although in limited scale compared to oxides. Nitride-based nuclear fuel possess properties making it an interesting fuel form in light water reactors as well as liquid metal cooled reactors envisioned for fourth generation nuclear power systems. In generation four reactor systems nitride-based fuel is an interesting fuel option both in UN-based liquid metal cooled breeding reactors as well as in reactors dedicated to the burning of transuranic actinides present in the used fuel of current light water reactors. This thesis focuses on the studies of inert matrix fuels mainly for non-breeding reactor purposes. In this work preparation and characterization of nitride fuel matrices of ZrN, ZrPuN and PuN have been studied. The internal gelation method has been applied for formation of oxide microsphere precursor material and carbothermal reduction has been applied for nitride production. Nitride fuel pellet purity and final density have been studied through cold pressing and sintering as well as ZrCN pellet formation from microspheres through spark plasma sintering. Investigations of nitride purity estimations through powder X-ray diffraction data has been performed. Am losses during the production route of PuN pellets by both internal gelation and powder synthesis has been investigated. Production of reasonably pure PuN through carbothermal reduction is possible and purities up to PuN0.99C0.01 have been reached. Carbide formed in ZrN was more stable and in the Zr system nitride purities of about ZrN0.85C0.15 were achieved. Conventional pressing and sintering of ZrCN microspheres did not reach densities above about 50% of theoretical density while spark plasma sintering of ZrCN of similar purity reached about 85% TD. PuN powder could be conventionally pressed and sintered to almost 80% of TD. It has been shown that ZrCN materials can be accurately composition estimated by XRD data while quaternary (Zr,Pu)(C,N) material estimations overestimated nitride purity somewhat. During PuN synthesis about 4% Am was lost during carbothermal reduction. Sintering in N2 atmosphere resulted in total losses of about 11% Am while sintering in Ar atmosphere yielded losses of about 50% Am.

Internal gelation

Carbothermal reduction

Zirconium Nitride

Plutonium Nitride

Nuclear fuel

Kemihuset KB
Opponent: Manuel Pouchon Paul Sherrer Institute

Författare

Marcus Hedberg

Kemi och kemiteknik, Energi och material, Kärnkemi

Zirconium carbonitride pellets by internal sol gel and spark plasma sintering as inert matrix fuel material

Journal of Nuclear Materials,; Vol. 479(2016)p. 137-144

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Studies on plutonium-zirconium co-precipitation and carbothermal reduction in the internal gelation process for nitride fuel preparation

Journal of Nuclear Materials,; Vol. 479(2016)p. 608-615

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Hedberg, M., Ekberg, C., A comparative study of nitride purity and Am fabrication losses in PuN materials by the powder and internal gelation production routes

Hedberg, M., Streit, M., Ekberg, C., Effects of carbide impurities on the lattice parameter of mixed zirconium nitrides

Ungefär 40 % av elektriciteten i Sverige produceras med kärnkraft fördelat över tio olika reaktorer. Längst in i kärnkraftverket finns härden där kärnbränslet är placerat. Den kemiska sammansättningen på kärnbränslet påverkar bränslets prestation under användning i reaktorn. De svenska reaktorerna samt de flesta andra reaktorer i världen som används för kommersiell produktion av elektricitet använder vatten som kylmedel och bränslet som används i reaktorerna är urandioxid. Urandioxid är ett material som tål höga temperaturer och besitter hög kemisk beständighet, egenskaper vilka bland andra har gjort urandioxid till standardbränslet inom kommersiell kärnkraft. I ett framtida perspektiv baserat på en så kallad fjärde generationens kärnkraftvision, där återvinning av använt kärnbränsle är ett centralt tema, finns det dock andra reaktorkoncept. Ett exempel är metallkylda snabbneutronreaktorer, där smält metall, till exempel natrium eller bly, används för att kyla reaktorn istället för vatten. I sådana sammanhang skulle det vara av intresse att kunna använda andra kemiska föreningar än oxid som bränsle. Ett möjligt alternativ är nitridbaserade bränslen.

Nitrider är en typ av keramiska material, precis som oxider, men består av kväve och metall istället för syre och metall. Genom att göra om kärnbränslerelevanta oxider som urandioxid (UO2) och plutoniumdioxid (PuO2) till nitrider (UN och PuN) istället går det att tillverka bränsle med egenskaper som är mer gynnsamma än i traditionella oxidbaserade kärnbränslen. Liksom inom många andra områden finns det inget enskilt material som är bäst som kärnbränsle ur varje tänkbar synvinkel, detta gäller även för nitridbaserade bränslen. Några orsaker till att nitridbränslen är av intresse är att de leder värme bättre än oxidbränslen vilket möjliggör lägre härdtemperaturer under reaktordrift jämfört med oxidbränslen. Nitrider har dessutom bättre kemisk kompatibilitet med smält bly och natrium än oxider. Det är bland annat dock mer komplicerat att tillverka nitrider då materialen inte tål luft och syrefria tillverkningsmiljöer måste användas för att kunna producera syrefria slutprodukter.

I den här avhandlingen har produktion och karaktärisering av zirkoniumnitrid (ZrN), plutoniumnitrid (PuN) samt (Zr,Pu)N blandningar studerats. Zirkoniumnitrid är av intresse för att det är ett ämne som lämpar sig för att användas som inert blandmaterial för att kunna tillverka bränslen med lägre andel klyvbart material. Tillverkning av nitrider har studerats genom användning av en våtkemisk process kallad sol gel, där små sfärer tillverkats från metallösning och konverterats till nitrid genom värmebehandling. Undersökningar av de tillverkade nitridsfärernas lämplighet för pressning och sintring (värmebehandling) av bränslepellets har också genomförts.

Styrkeområden

Energi

Materialvetenskap

Ämneskategorier

Kemiska processer

Annan kemiteknik

Bioenergi

ISBN

978-91-7597-465-1

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4146

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Kemihuset KB

Opponent: Manuel Pouchon Paul Sherrer Institute