Published June 3, 2010 | Version v1
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Study of Physical modifications induced by chromium doping of uranium dioxide

Description

Improvement of nuclear fuel performances requires reducing fission gas release. Doping uranium dioxide with chromium is the improvement axis considered in this work. Indeed, chromium fastens crystal growth in UO2, and thus enables a significant increase of the grain size. This work aims at the identification of defects produced by chromium addition in UO2, and their impact on properties of interest of the material. First, defects existing in doped fuel directly after sintering have been studied. X-ray Absorption Spectroscopy allowed the identification of the environment of solubilised chromium in UO2. Chromium atoms are roughly substituting for uranium atoms, but generate a complete reorganisation of neighbouring oxygen atoms, and distortion of uranium sublattice. Characterisation of transport properties (electrical conductivity and oxygen self-diffusion) have shown that because of charge balance, chromium plays a leading role on such properties. A model of point defects in UO2 has been proposed, showing how complex the involved phenomena are. Observations by Transmission Electron Microscopy of ion-irradiated thin foils have shown that chromium makes the coalescence of irradiation defects easier. This behaviour can be explained by a stabilisation of defect clusters due to precipitation of chromium. Finally, study of thermal diffusion of helium in doped UO2, performed by Nuclear Reaction Analysis, has confirmed this interaction between chromium atoms and irradiation defects. Indeed, μ-NRA measures have shown no fast gas diffusion close to grain boundaries, in contrast with standard UO2 behaviour, which is associated with defects recovery in grain boundaries. (author)

Abstract (French)

L'accroissement des performances du combustible UO2 actuel implique une meilleure retention des gaz de fission. Dans cette optique, une amelioration envisagee est l'ajout de chrome. En effet, le chrome accelere la croissance cristalline de l'UO2, permettant d'accroitre significativement la taille de grains. L'objet de ce travail est d'identifier les defauts engendres par la presence de chrome dans l'UO2 et leur impact sur les proprietes d'interet du materiau. Dans un premier temps, une etude des defauts ponctuels presents dans le combustible dope au chrome a l'issue du frittage a ete effectuee. La caracterisation en Spectroscopie d'Absorption des rayons X a permis d'identifier l'environnement du chrome solubilise. Ce dernier est place approximativement en substitution de l'uranium, mais engendre une reorganisation complete de l'environnement oxygene correspondant, ainsi que des distorsions du reseau. Les mesures des proprietes electriques et d'autodiffusion de l'oxygene ont montre que la compensation de charges dans le materiau engendree par la presence de chrome modifie au premier ordre les proprietes de transport atomique dans le materiau. Une modelisation des defauts ponctuels de l'UO2 dope ou non en fonction de son ecart a la stoechiometrie en oxygene a ete developpee, mettant en exergue la complexite des phenomenes mis en jeux. Par l'observation en Microscopie Electronique en Transmission de lames minces irradiees aux ions, une coalescence des defauts d'irradiation facilitee par la presence de chrome a ete mise en evidence. L'origine proposee a ce phenomene est une stabilisation des agregats de defauts d'irradiation par la precipitation d'atomes de chrome en sursaturation. Enfin, l'etude par NRA (Nuclear Reaction Analysis) de la redistribution thermique d'helium implante, a permis de confirmer l'impact de la presence de chrome sur le comportement des defauts d'irradiation. En effet, des mesures locales par μ-NRA ont montre l'absence de zone de diffusion acceleree a proximite des joints de grains rapportee pour l'UO2 non dope et associee a la restauration des defauts d'implantation

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Original title (French)
Dopage au chrome du dioxyde d'uranium: modifications physiques induites

Publishing Information

Imprint Pagination
226 p.
Report number
FRCEA-TH--3534

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Notes
159 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS-NKM website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/contacts/