Abstrakt

Mit Chrom, Nickel oder Aluminium dotiertes Urannitrid als unfalltoleranter Brennstoff

Aneta Herman und Christian Ekberg

Urannitrid (UN) ist ein möglicher Kandidat für einen unfalltoleranten Brennstoff für Leichtwasserreaktoren. Neben den Vorteilen einer hohen Metalldichte und Wärmeleitfähigkeit weist es eine geringe Stabilität in Wasser auf. Wir haben vorgeschlagen, Metalleinschlüsse auszunutzen, um die Stabilität in Wasser durch Bildung einer Schutzschicht zu verbessern. Ein mit Chrom (Cr 2,7 Gew.-%), Nickel (Ni 2,8 Gew.-%) oder Aluminium (Al 1,5 Gew.-%) dotiertes Urannitrid wurde durch internes Sol-Gel und carbothermische Reduktion hergestellt. Eine elektronendispersive Spektroskopie ergab eine homogene Metallverteilung in allen Sol-Gel-Produkten. Die carbothermische Reduktion wurde in einer N2+5%H2-Mischung bei 1500 °C 6 Stunden lang durchgeführt. Röntgenbeugung bestätigte die UN-Phasenbildung in den Proben. Pellets wurden durch Sintern in Argon bei 1800 °C 6 Stunden lang hergestellt. Während des Sinterns verdampfte ein Großteil des Chroms von der Oberfläche, Nickel bewegte sich zu den Korngrenzen und Aluminium bildete ein Agglomerat am Rand eines Pellets. Schließlich wurden die Pellets in Wasser bei Normaldruck gekocht. Ein Referenzpellet aus reinem UN zerfiel nach 2 Stunden Kochen vollständig. Sowohl mit Nickel als auch mit Aluminium dotierte Pellets zerfielen innerhalb weniger Minuten. Das mit Chrom dotierte Pellet zerfiel während 5 Stunden Kochen nicht. Dies deutete auf eine deutliche Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit des auf Urannitrid basierenden Materials hin.