Diseño, procesado y caracterización, procesado y caracterización de materiales con porosidad radial controlada para aplicaciones nucleares

Abstract

Las pastillas de combustible irradiado presentan un gradiente de porosidad radial como consecuencia de la presencia de gas He y otros productos de fisión que modifican su microestructura. El óxido de Cerio, CeO2, ha mostrado ser un material de características similares a los óxidos utilizados como combustible en los reactores nucleares. El objetivo de este trabajo es la implementación de un dispositivo de compactación novedoso para obtener pastillas de CeO2 con una porosidad radial controlada. Se emplean presiones de compactación de 460 y 700 MPa y contenidos de cera EthyleneBis-Stearamide (EBS) de 0.5, 3 and 7.5% vol., para obtener tres zonas diferentes en la pastilla. Finalmente, todo el conjunto es sometido al mismo protocolo de eliminación de EBS (una tasa de calentamiento de 5ºC/min manteniendo la pastilla 4 horas a 500ºC) y de sinterización (1700ºC, 4h, aire). La caracterización microestructural incluye la porosidad y el tamaño de grano, caracterizadas en las tres zonas. Las propiedades tribo-mecánicas incluyen la microfractura por indentación (KIc) y la resistencia al rayado (carga constante).

Irradiated fuel pellet present a radial gradient porosity as a result of the occurrence of He gas and other fission products that modify its nuclear fuel microstructure. Cerium Oxide, CeO2, has been shown as a surrogate material to understand irradiated Mixed Oxide (MOX) based matrix fuel for nuclear power plants due to its similar characteristics. The aim of this work is the implementation of a novel compaction device to produce CeO2 pellets with a radial controlled porosity. Compaction Pressures of 460 and 700 MPa have been employed and binder contents, Ethylene-Bis-Stearamide (EBS), of 0.5, 3 and 7.5% vol. in order to obtain three different areas in the pellet. Finally, the whole pellet is subjected to the same protocol in order to eliminate EBS (heating rate of 5ºC/min up to 4h at 500ºC) and a sinterization process at 1700ºC for 4 hours in air. Microstructure characterization includes grain size and porosity, being characterized in the three areas. Tribo-mechanical properties such as scratch resistance (constant load), dynamic Young’s modulus, hardness and indentation microfracture (KIc) have also been determined.