Estudio del proceso de sinterizado en pastillas CERMET de UO2 para su uso como ATF (Accident Tolerant Fuels)
2022
| Tesista | Martina PERCZYK Magister en Ciencia y Tecnología de los Materiales - Instituto Sabato - UNSAM - CNEA - Argentina |
| Directores | Dr. Rodolfo Kempf |
| Lugar de realización | Centro Atómico Constituyentes |
| Fecha Defensa | 28/11/2022 |
| Jurado | Dr. Sergio Arico. UNSAM, CNEA - Argentina Dr. Joaquín Sacanell. UBA, CONICET, CNEA - Argentina Dra. María Bernarda Quiroga Argañaraz. CNEA - Argentina |
| Código | ITS/TM-224/22 |
Título completo
Estudio del proceso de sinterizado en pastillas CERMET de UO2 para su uso como ATF (Accident Tolerant Fuels)
Resumen
A nivel mundial, los reactores que usan agua liviana (PWR) emplean óxido de uranio (UO2) como combustible, encapsulado en vainas de una aleación de base circonio. Este sistema ha sido bien estudiado a lo largo de varias décadas.
El circonio, puede generar reacciones de formación de hidrógeno altamente exotérmicas. En condiciones muy poco frecuentes de un accidente en el que se produzca la pérdida de refrigerante, parte del núcleo del reactor puede quedar al descubierto. En estas condiciones, se puede generar un exceso de calor que junto con la producción de hidrógeno puede dañar el núcleo.
En el año 2011 un terremoto seguido de un tsunami en Japón derivó en el accidente de la central nuclear de Fukushima Daiichi. Esto generó el interés internacional en investigar variaciones que se puedan realizar en los combustibles para mejorar su performance en caso de un evento de este tipo. Se busca, por ejemplo, realizar modificaciones en la composición de las pastillas combustibles para mejorar la capacidad de evacuar el calor. A ese tipo de combustibles se los denomina Accident Tolerant Fuels. En este sentido, una de las modificaciones propuestas es el agregado de materiales como carburos para conformar agujas o whiskers.
En este trabajo se propuso estudiar el proceso de mezclado, conformado y sinterizado de pastillas de UO2 y UO2 con CW y SiC. Para eso, se fabricó un conjunto de pastillas a distintas concentraciones. Se analizó el efecto de distintas presiones en la etapa de conformado de pastillas y duraciones de plateau del tratamiento térmico correspondiente al sinterizado. También se midió la densidad por diferentes métodos y se hizo una caracterización microestructural y cristalográfica para poder estudiar el efecto del agregado de estos carburos en las propiedades del UO2 como combustible. Se realizó un estudio de medida de la difusividad térmica mediante mapas para evaluar la incidencia de la incorporación de los carburos en las propiedades térmicas de los CERMET.
Algunas de las conclusiones fueron: se pudo elegir un rango de trabajo a escala laboratorio para la presión y tiempo de sinterizado en la fabricación de pastillas, existe una dependencia de la densidad con la presión de conformado y el agregado de una mezcla de carburos produce mayor porosidad en las pastillas.
Palabras clave: dióxido de uranio, compuestos cerámicos, combustibles nucleares, Accident Tolerant Fuels
Complete Title
Study of the sintering process in CERMET UO2 pellets for use as ATF (Accident Tolerant Fuels)
Abstract
Worldwide, Pressurized Water Reactors (PWR) use uranium dioxide (UO2) as fuel, encapsulated in a zirconium-based alloy cladding. This system has been well studied over several decades.
Zirconium can generate highly exothermic reactions with hydrogen formation. In a very rare condition of a loss of coolant accident, part of the reactor core may be exposed. Under these conditions, excess heat can be generated which, together with the production of hydrogen, can damage the core.
In 2011, an earthquake followed by a tsunami in Japan led to the accident at the Fukushima Daiichi nuclear power plant. This generated international interest in investigating variations that can be made in fuels to improve their performance during an event of this type. The aim is, for example, to make changes to the composition of fuel pellets to improve their ability to dissipate heat. These types of fuels are called Accident Tolerant Fuels. In this sense, one of the proposed modifications is the addition of materials such as carbides to form whiskers.
It was proposed to study the process of mixing, pressing and sintering of UO2 and UO2 with CW and SiC pellets. For that, a set of samples were manufactured at different concentrations. The effect of different pressures in the pellet pressing stage and plateau durations of the thermical treatment were analyzed. Density was also measured by different methods and a microstructural, compositional and crystallographic characterization was made in order to study the effect of the addition of these carbides on the properties of UO2 as a fuel. A study was carried out, with the use of maps, to measure the thermal diffusivity to evaluate the incidence of the incorporation of carbides in the thermal properties of CERMETs.
Some of the conclusions were: it was possible to choose a working range on a laboratory scale for the pressure and sintering time in the manufacture of pellets, there is a dependence of the density on the forming pressure and the addition of a mixture of carbides produces greater porosity in the tablets.
Key words: uranium dioxide, ceramic composites, nuclear fuel, Accident Tolerant Fuels
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