Irradiation response, thermophysical and mechanical properties of pure and doped uranium mononitride
Tid: Fr 2026-06-12 kl 13.15
Plats: R1, Reaktorhallen, Drottning Kristinas väg 51, 114 28
Språk: Engelska
Ämnesområde: Fysik, Kärnenergiteknik
Respondent: Elina Charatsidou , Kärnvetenskap och kärnteknik
Opponent: Erofili Kardoulaki, Los Alamos National Laboratory
Handledare: Prof Janne Wallenius, Kärnvetenskap och kärnteknik; Diogo Ribeiro Costa, Westinghouse Sweden AB
QC 2026-05-18
Abstract
Uranmononitrid (UN) är ett lovande avancerat kärnbränsle för Gen-IV snabba reaktorsystem och små modulära reaktorer, tack vare sin höga urandensitet och sin överlägsna värmeledningsförmåga jämfört med konventionella oxidbränslen. Trots detta är materialets beteende under bestrålning, särskilt de kopplade effekterna av fissionsproduktskemi (FP) och strålskador på termofysiska och mekaniska egenskaper, fortfarande inte tillräckligt väl förstått.
I denna avhandling genomförs en experimentell studie av det termofysiska, mekaniska och dimensionsmässiga beteendet hos rent och dopat UN inom ett ramverk där separata effekter betraktas. Simulerat utbrända bränslen (SIMFUEL)-konceptet används för att undersöka effekten av kemisk oordning, medan jonbestrålning och jonimplantering används för att introducera kontrollerade strålskador samt utvalda fissionsproduktsurrogat.
Kemisk modifiering utfördes genom pulverblandning och ljusbågssmältning, vilket möjliggjorde införande av zirkonium och torium som lösningsämnen. Strukturell karakterisering bekräftade bildandet av fasta lösningar, förekomst av sekundära faser samt mikrostrukturella variationer beroende på tillverkningsmetod. Mätningar av termisk diffusivitet visade att kemisk oordning leder till en systematisk försämring av värmetransporten, vilket huvudsakligen tillskrivs ökad fononspridning orsakad av mass- och spänningsvariationer i kristallgittret.
Bestrålningseffekter undersöktes med protonbestrålning och jonimplantering av utvalda fissionsprodukter (Zr, Ba, Kr, Xe). Defektbildning, klustring och bestrålningsinducerad sprickbildning observerades, med tydligt beroende av skadenivå och jonart. Mätningar av termisk diffusivitet i provets ytlager visade en tydlig försämring av värmetransporten med ökande bestrålningsdos. Mekanisk karakterisering visade bestrålningsinducerad härdning, medan mikrostrukturella analyser visade sprickinitiering och sprickpropagering kopplad till defektackumulering och spänningsuppbyggnad.
Vidare utvecklades en ytbaserad metod för att kvantifiera bestrålningsinducerade dimensionsförändringar på mikroskala. Både svällning och krympning observerades, vilket belyser det komplexa sambandet mellan defektutveckling och mikrostruktur.
Resultaten visar tydliga samband mellan kemisk oordning, strålskador och degradering av materialegenskaper i UN. Arbetet visar att både sammansättningsförändringar och defektackumulering har en betydande inverkan på värmetransport, mekaniskt beteende och dimensionsstabilitet.
Denna avhandling bidrar med ny experimentell kunskap om beteendet hos UN och utgör ett underlag för dess framtida användning i avancerade kärnenergisystem. Resultaten motiverar vidare studier där kemisk modifiering och bestrålning kombineras med validering under reaktorförhållanden, för att fullt ut kunna beskriva bränslets prestanda under realistiska driftförhållanden.