Published February 1966
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Book
Migration and re-Orientation of Oxygen Interstitials, and Migration and Self-Diffusion of Uranium in UO2
- 1. SCK-CEN, Mol-Donk (Belgium)
Description
The present communication reports the first results of a study of some aspects of motion phenomena of uranium and oxygen ions in uranium dioxide. It includes the determination of the diffusion coefficients for uranium at 1300, 1450, 1465 and 1800°C, the measurement of the activation energies for migration of uranium point defects and oxygen interstitials and of the activation energy reorientation of oxygen interstitials. All measurements were performed on vapour-grown UO2 single crystals. The self-diffusion coefficients for the uranium-235 ion in stoichiometric UO2 have been measured using the sectioning technique. The analysis of the gradient in the 235U concentration after the diffusion anneals was made by grinding off thin layers of about 0.1 μm thickness and determining their 235U content by γ-spectrometry after reactor irradiation. The D values obtained on UO2 single crystals seem to agree well with the values measured by Auskern and Belle on sintered material. Combination of both experimental results yields an activation energy of (88 ± 6) kcal/mole for uranium self-diffusion in stoichiometric UO2. The activation energies of migration for uranium and oxygen point defects have been determined by studying the recovery of the electrical conductivity of slightly oxidized crystals after reactor irradiation and after quenching. Fission-fragment damage causes a marked decrease in conductivity, due to the formation of hole traps. Annealing experiments revealed the existence of an annealing peak around 725°C. The activation energy of migration associated with this recovery stage can be estimated to be (2.5 ± 0.3) eV. This suggests uranium point defect migration. Pulse annealing experiments were also performed on quenched UO2+x crystals with compositions exceeding slightly the excess oxygen solubility limit at room temperature. Upon heating at temperatures above 110°C, the oxygen interstitials start migrating and form U4O9 precipitates. The activation energy for this migration process was found to be (0.9 ± 0.1) eV. Internal friction experiments with small UO2 single crystals vibrated in transverse resonance have revealed a damping peak around 255°K for a frequency of about 900 cps. Assuming this peak to be caused by an atomistic relaxation process, the activation energy can be estimated at about 0.5 eV. This value is too low to represent oxygen diffusion, and too high to represent the migration of charge carriers. A tentative explanation is presented based on the reorientation of oxygen interstitials. This rotation can occur without gross diffusion of the oxygen, and it will be shown that this model can explain the changes in peak height observed as a consequence of different thermal treatments. (author)
Abstract (French)
Dans le present memoire, les auteurs exposent les premiers resultats d'une etude sur certains aspects du mouvement des ions uranium et oxygene dans le bioxyde d'uranium. Ils traitent egalement de la determination des coefficients de diffusion de l'uranium aux temperatures de 1300, 1450, 1465 et 1800°C, de la mesure des energies d'activation pour la migration des défauts ponctuels d'uranium et des atomes interstitiels d'oxygene, et de la mesure de l'energie d'activation pour la reorientation des atomes interstitiels d'oxygene. Toutes les mesures ont ete faites sur des monocristaux d'UO2 prepares a partir de la vapeur. Les coefficients d'autodiffusion pour l'ion d'uranium-235 dans UO2 stoechiometrique ont ete mesures par la methode du decoupage des Echantillons. Pour analyser le gradient de concentration en uranium-235, les auteurs ont, apres recuit par diffusion, enleve de fines lamelles de 0,1 μm d'epseur environ et determine leur teneur en uranium-235 par spectrometrie gamma apres irradiation en pile. Les valeurs D obtenues sur des monocristaux d'UO2 semblent fort bien concorder avec les valeurs mesurees par Auskern et Belle sur des matieres frittees. En combinant les deux resultats experimentaux, on obtient une energie d'activation de (88 ± 6) kcal/mole pour l'autodiffusion de l'uranium dans UO2 stoechiometrique. Ils ont determine les énergies d'activation pour la migration des défauts ponctuels d'uranium et d'oxygène en étudiant la restauration de la conductivité de cristaux légèrement oxydés après irradiation en pile et refroidissement brusque. Les dommages dus aux fragments de fission entraînent une diminution marquée de la conductivité, du fait de la formation de pièges à lacunes. Les expériences de recuit ont révélé l'existence d'un pic de recuit au voisinage de 725°C. L'énergie d'activation pour la migration associée à ce stade de là restauration peut être évaluée à (2,5 ± 0,3) eV. Cela indique une migration de défauts ponctuels d'uranium. Il a également été procédé à des expériences de recuit puisé sur des cristaux refroidis d'UO2+x ayant une composition dépassant légèrement la limite de solubilité de l'excédent d'oxygène à la température ambiante. En chauffant à plus de 110°C, les atomes interstitiels d'oxygène commencent leur migration et il se forme des précipités d'U4O9. Pour ce processus de migration, on a observé que l'énergie d'activation était de (0,9 - 0,1) eV. Des expériences de friction interne sur de petits monocristaux d'UO2 soumis à une vibration de résonance transversale ont révélé l'existence d'un pic d'amortissement au voisinage de 255°K lorsque la fréquence est de 900 cps environ. En supposant que ce pic soit dû à un processus de relaxation, on peut considérer que l'énergie d'activation s'élève à 0,5 eV environ. Cette valeur est trop faible pour représenter la diffusion de l'oxygène et trop élevée pour représenter la migration des entraîneurs de charge. Les auteurs tentent de donner une explication de ce processus fondée sur la réorientation des atomes interstitiels d'oxygène. Cette réorientation peut se produire sans qu'il y ait une grande diffusion de l'oxygène et les auteurs montrent que ce modèle peut expliquer les variations de l'amplitude du pic observées à la suite de différents traitements thermiques. (author)Abstract (Spanish)
En esta memoria los autores exponen los primeros resultados de un estudio de algunos aspectos de los movimientos de los iones uranio y oxígeno en UO2. Esos resultados incluyen la determinación de los coeficientes de difusión del uranio a 1300, 1450, 1465 y 1800°C, la medición de las energías de activación correspondientes a la migración de defectos puntiformes en el uranio y de los átomos intersticiales del oxigeno, y la medición de la energía de activación correspondiente a la reorientación de los átomos intersticiales del oxígeno. Todas las mediciones se realizaron con monocristales de UO2 preparados a partir de vapor. Empleando la técnica de corte, se midieron los coeficientes de autodifusión correspondientes al ion del 235U contenido en el UO2 de composición estequiométrica. El gradiente de concentración del 235U después de los recocidos por difusión se analizó cortando capas delgadas de un espesor aproximado de 0,1 μm, y determinando su contenido de 235U por espectrometría de rayos gamma, después de proceder a la irradiación en un reactor. Los valores de D obtenidos empleando los monocristales de UO2 parecen concordar satisfactoriamente con los valores determinados por Auskern y Belle empleando sustancias sintetizadas. La combinación de los resultados de ambas series de experimentos proporciona un valor de la energía de activación de (88 ± 6) kcal/mol para la autodifusión del uranio en UO2 estequiométrico. Las energías de activación correspondientes a la migración de defectos puntiformes de uranio y oxígeno, se determinaron estudiando la recuperación de la conductividad eléctrica de cristales ligeramente oxidados, después de someterlos a irradiación en un reactor y enfriarlos luego bruscamente. El daño causado por los fragmentos de fisión origina una acentuada disminución de conductividad, debido a la formación de trampas de huecos. Los experimentos de recocido pusieron de manifiesto la existencia de un pico de recocido alrededor de los 725°C. La energía de activación de la migración vinculada a esta etapa de recuperación puede estimarse en (2,5 + 0,3) eV. Esto sugiere la migración de defectos puntiformes en el uranio. También se realizaron experimentos de recocido pulsado con cristales de UO2+x enfriados bruscamente, cuyas composiciones superaban ligeramente el límite de solubilidad del exceso de oxígeno a temperatura ambiente. Al calentar a temperaturas superiores a 110°C, los'átomos intersticiales de oxígeno comienzan a migrar y forman precipitados de U4O9. La energía de activación correspondiente a este proceso de migración asciende a (0,9 + 0,1) eV. Los experimentos de rozamiento interno realizados con pequeflos monocristales de UO2 sometidos a vibración transversal en el valor de resonancia, revelaron la existencia de un pico de amortiguamiento alrededor de los 255°K, para una frecuencia de unos 900 Hz. Suponiendo que este pico se deba a un proceso de relajamiento atómico, la energía de activación puede estimarse en unos 0,5 eV. Este valor es demasiado bajo para representar la difusión de oxígeno y demasiado alto para referirse a la migración de portadores de carga. Se propone una explicación provisional basada en la reorientación de los átomos intersticiales de oxígeno. Esta rotación puede producirse sin difusión considerable del oxígeno y se demuestra en la memoria que este modelo permite explicar los cambios obsérvados en la altura de los picos como consecuencia de los distintos tratamientos térmicos. (author)Abstract (Russian)
Soobshhajutsja pervye rezul'taty izuchenija nekoto- ryh aspektov javlenij peremeshhenija ionov urana i kisloroda v dvuokisi urana. Sjuda vkljucha- jutsja opredelenie kojefficientov diffuzii dlja urana pri 1300, 1450, 1465 i 1800°S, izme- renie jenergij aktivacii pri migracii tochechnyh defektov urana i vnedrennyh atomov kislo- roda i izmerenie reorientacii jenergii aktivacii vnedrennyh atomov kisloroda. Vse izmere- nija provodilis' na narashhennyh v pare edinichnyh kristallah UO2 . Kojefficienty samodiffuzii dlja iona urana-235 v stehiometricheskom UO2 izmereny metodom sekcionirovanija. Analiz gradienta pri koncentracii urana-235 posle diffuzionnogo otzhiga osushhestvljaetsja putem shlifovki tonkih sloev tolshhinoj priblizitel'no 0,1 mikrona i opredelenija soderzhanija urana-235 v nih metodami gamma-spektrometrii posle obluchenija v reaktore. Znachenija D, poluchennye na edinichnyh kristallah UO2 , horosho soglasujutsja, kak predstavljaetsja, s velichinami, izmerennymi Auskernom i Belle na spechennom materiale. Kombinacija oboih jeksperimental'nyh dannyh daet jenergiju aktivacii v (88 ± 6) kkal/mol' dlja samodiffuzii urana v stehiometricheskoj UO2 . Jenergija aktivacii pri migracii tochechnyh defektov urana i kisloroda opredelena putem izuchenija javlenija vosstanovlenija jelektricheskoj provodimosti slegka okislennyh kristallov posle obluchenija v reaktore i posle ohlazhdenija. Povrezhdenie produktami delenija privo- dit k zametnomu umen'sheniju provodimosti vvidu obrazovanija lovushek dlja ''dyrok''. V rezul'- tate jeksperimentov s otzhigom obnaruzheno nalichie pika otzhiga okolo 725 °C. Jenergiju aktivacii pri migracii, svjazannuju s jetoj stadiej vosstanovlenija, mozhno schitat' primerno ravnoj (2,5 ±0,3) jev. Jeto predpolagaet nalichie migracii tochechnyh defektov urana. Opyty s im- pul'snym otzhigom takzhe vypolnjalis' na ohlazhdennyh kristallah UO2+x s sostavami, sleg- ka prevyshajushhimi predel rastvorimosti izbytochnogo kisloroda pri komnatnoj temperature. Pri nagreve do temperatur svyshe 110°S vnedrennye atomy kisloroda nachinajut migrirovat' i obrazujut U4O9 v osadke. Bylo ustanovleno, chto jenergija aktivacii pri jetom processe migracii sostavljaet (0,9 ± 0,1) jev. Pri provedenii jeksperimentov po vnutrennemu scepleniju s nebol'shimi edinichnymi kristallami UO2 , vibrirujushhimi v poperechnom rezonanse, obnaruzhen pik zatuhanija pri temperature okolo 255 °S i chastote priblizitel'no 900 gerc. V predpolozhenii, chto jetot pik obrazuetsja v rezul'tate processa atomisticheskoj relaksacii, mozhno opredelit' jener- giju aktivacii v razmere primerno 0,5 jev. Jeta velichina slishkom mala pri diffuzii kislo- roda i slishkom velika pri migracii zarjazhennyh nositelej. Predstavljaetsja primernoe objasnenie, osnovannoe na javlenii reorientacii vnedrennyh atomov kisloroda. Takoe vrashhe- nie mozhet imet' mesto bez obshhej diffuzii kisloroda, i budet pokazano, chto s pomoshh'ju jetoj modeli mozhno ob'jasnit' izmenenija v nabljudaemoj amplitude pika kak sledstvie raz- lichnoj termicheskoj obrabotki. (author)Additional details
Additional titles
- Original title (English)
- Migration et Réorientation des Atomes Interstitiels d'Oxygene; Migration et Autodiffusion de l'Uranium dans UO
Publishing Information
- Publisher
- IAEA
- Imprint Place
- Vienna (International Atomic Energy Agency (IAEA))
- Imprint Title
- Thermodynamics. Vol. II. Proceedings of the Symposium on Thermodynamics with Emphasis on Nuclear Materials and Atomic Transport in Solids
- Imprint Pagination
- 673 p.
- Series
- Proceedings Series
- Journal Page Range
- p. 311-326
- ISSN
- 0074-1884
Conference
- Title
- Symposium on Thermodynamics with Emphasis on Nuclear Materials and Atomic Transport in Solids
- Dates
- 22-27 Jul 1965
- Place
- Vienna (Austria)
INIS
- Country of Publication
- International Atomic Energy Agency (IAEA)
- Country of Input or Organization
- International Atomic Energy Agency (IAEA)
- INIS RN
- 44078025
- Subject category
- S36: MATERIALS SCIENCE; S75: CONDENSED MATTER PHYSICS, SUPERCONDUCTIVITY AND SUPERFLUIDITY;
- Resource subtype / Literary indicator
- Conference
- Descriptors DEI
- ACTIVATION ENERGY; ANNEALING; CONCENTRATION RATIO; CRYSTAL GROWTH; ELECTRIC CONDUCTIVITY; EV RANGE; FISSION FRAGMENTS; GAMMA SPECTROSCOPY; INTERNAL FRICTION; INTERSTITIALS; MONOCRYSTALS; OXYGEN; OXYGEN IONS; QUENCHING; RADIATION EFFECTS; SELF-DIFFUSION; SINTERED MATERIALS; THIN FILMS; URANIUM; URANIUM 235; URANIUM DIOXIDE
- Descriptors DEC
- ACTINIDE COMPOUNDS; ACTINIDE NUCLEI; ACTINIDES; ALPHA DECAY RADIOISOTOPES; CHALCOGENIDES; CHARGED PARTICLES; CRYSTAL DEFECTS; CRYSTAL STRUCTURE; CRYSTALS; DIFFUSION; DIMENSIONLESS NUMBERS; ELECTRICAL PROPERTIES; ELEMENTS; ENERGY; ENERGY RANGE; EVEN-ODD NUCLEI; FILMS; FRICTION; HEAT TREATMENTS; HEAVY NUCLEI; INTERNAL CONVERSION RADIOISOTOPES; IONS; ISOMERIC TRANSITION ISOTOPES; ISOTOPES; MATERIALS; METALS; MINUTES LIVING RADIOISOTOPES; NONMETALS; NUCLEAR FRAGMENTS; NUCLEI; OXIDES; OXYGEN COMPOUNDS; PHYSICAL PROPERTIES; POINT DEFECTS; RADIOISOTOPES; SPECTROSCOPY; SPONTANEOUS FISSION RADIOISOTOPES; URANIUM COMPOUNDS; URANIUM ISOTOPES; URANIUM OXIDES; YEARS LIVING RADIOISOTOPES
Optional Information
- Contract/Grant/Project number
- Contract 056-64-3/TEEB (RD)
- Notes
- 18 refs., 7 figs., 1 tab. Imprint:In two volumes
- Secondary number(s)
- IAEA-SM--66/46