Published October 2, 2015 | Version v1
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Identification of equilibrium and irradiation-induced defects in nuclear ceramics: electronic structure calculations of defect properties and positron annihilation characteristics

Description

During in-pile irradiation the fission of actinide nuclei causes the creation of large amounts of defects, which affect the physical and chemical properties of materials inside the reactor, in particular the fuel and structural materials. Positron annihilation spectroscopy (PAS) can be used to characterize irradiation induced defects, empty or containing fission products. This non-destructive experimental technique involves detecting the radiation generated during electron-positron annihilation in a sample and deducing the properties of the material studied. As positrons get trapped in open volume defects in solids, by measuring their lifetime and momentum distributions of the annihilation radiation, one can obtain information on the open and the chemical environments of the defects. In this work electronic structure calculations of positron annihilation characteristics were performed using two-component density functional theory (TCDFT). To calculate the momentum distributions of the annihilation radiation, we implemented the necessary methods in the open-source ABINIT program. The theoretical results have been used to contribute to the identification of the vacancy defects in two nuclear ceramics, silicon carbide (SiC) and uranium dioxide (UO2). (author)

Abstract (French)

Durant l'irradiation en reacteur la fission des atomes d'actinides entraine la creation de grandes quantites de defauts, qui affectent les proprietes physiques et chimiques des materiaux dans le reacteur, en particulier les materiaux combustibles ou de structure. Une des methodes non destructives pouvant etre utilisees pour caracteriser les defauts induits par irradiation, vides ou contenant les produits de fission, est la spectroscopie d'annihilation de positons (SAP). Cette technique experimentale consiste a detecter le rayonnement genere lors de l'annihilation de la paire electron-positon dans un echantillon et a en deduire les proprietes de la matiere etudiee. Les positons peuvent etre pieges dans les defauts de type lacunaire dans les solides, et en mesurant leur temps de vie et les distribution de moment de rayonnement d'annihilation, on peut obtenir des informations sur les volumes libres et les environnements chimiques des defauts. Dans ce travail, des calculs de structure electronique des caracteristiques d'annihilation de positons ont ete effectues en utilisant la theorie de la fonctionnelle de la densite a deux composants (TCDFT). Pour calculer les distributions de moment rayonnement d'annihilation, nous avons implemente les methodes necessaires dans le code de calcul libre ABINIT. Les resultats theoriques ont ete utilises pour contribuer a l'identification des defauts d'irradiation dans deux ceramiques nucleaires, le carbure de silicium (SiC) et le dioxyde d'uranium (UO2)

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Original title (English)
Calcul de structure electronique des proprietes des defauts et caracteristiques d'annihilation de positons dans les ceramiques nucleaires: identification des defauts d'equilibre et crees par l'irradiation

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Imprint Pagination
206 p.
Report number
FRCEA-TH--7444

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