VO2-GD2 O3 nükleer yakıt peletlerinde gadolinyum miktarıyla mikroyapı ve yoğunluk değişiminin düşük sıcaklık sinterlemesinde incelenmesi

Abstract

ÖZET « Nükleer reaktörlerin verimliliğini arttırmak için nükleer yakıtla beraber yanabilen-soğurucular kııUanılmaktadır. Nükleer reaktörlerde yanabilen-soguruculardan en önemlilerinden birisi gadolinyumdur. Gadolinyum özellikle U02 tipi oksit yakıtlarla beraber kullanılmaktadır. Gadolinyumun çok yüksek nötron soğurabilme ve aynı zamanda nükleer reaktörlerde yanabilme özelliğinden yararlanılmaktadır. U02-Gd203 nükleer yakıt peletlerinin hazırlanmasında saf U02 peletlerinde olduğu gibi toz metalürjisi teknikleri kullamlmaktadır. Saf U02 peletlerinin sinterlenmesi bugünkü seramik nükleer yakıt üretimi teknolojilerinde yüksek sıcaklıkta (indirgen atmosferde) ve düşük sıcaklıkta (kısmen oksitleyici atmosferde) yapılmaktadır. UOj-GdjOj peletlerinde ise bugün yüksek sıcaklıkta sinterleme yapılmaktadır. Bu yüksek lisans çalışmasındaysa U02-Gd203 seramik nükleer yakıt peletleri toz metalürjisi teknikleriyle hazırlandıktan sonra % Gd^O, miktanyla mikroyapı ve yoğunluk değişimleri düşük sıcaklık sinterlemesinde incelenerek sonuçların irdelemesi yapıldı. %0-10 GdaOa içeren U02 peletlerinin düşük sıcaklıkta 1150°C'de C02 atmosferinde sinterlemesi yapılarak yoğunluk ve mikroyapısal değişikliklerin GdjOj miktanyla olan ilişkileri araştırıldı. Gd^Og miktan arttıkça yoğunluklar hızla düşmeye başladı. Bunun yanında düşük sıcaklık sinterlemesiyle elde edilen UOj-GdaOj peletlerinde mikroyapı incelemelerinde U02 alanlarının toplam alana olan oransal değerlerindeki düşüş Gd^ miktannm artış oranından çok daha fazla oldu. Literatürdeki çalışmalarda (U.Gd)Oa katı eriyiğinin 1200°C'nrâ üzerinde oluşmaya başladığı telirtilmektedir (Yuda et al. 1991). Bu Yüksek Lisans Tezi çalışmasında da yapılan incelemelerde düşük sıcaklık sinterlemesiyle elde edilen UCVGdaOj peletlerinde katı eriyik oluşumu gerçekleşmemiştir. Ancak aynı oranlarda Gd^ içerenÖ02 peletlerinin yüksek sıcaklık sinterlemesinde ise hem katı eriyik oluştu hem de yoğunluklar >%95 teorik yoğunlukların üzerinde gerçekleşti. Bu nedenle UC^-Gd^ peletlerinde düşük sıcaklık sinterlemesinde istenilen yoğunluklara erişebilmek için ancak %2'nin altındaki Gd203 oranlarında gerçekleştirilebileceği görüldü.

ABSTRACT In order to increase the productivity of a nuclear reactor burnable neutron absorbers are being used. The most important burnable neutron absorber is gadolinium. Gadolinium is used especially with the U02 type ceramic fuels. In these applications gadolinium is preferred because it has a large neutron absorbtion cross section and it is a very good burnable material in nuclear reactors. The preparation technology of U02 - GcLjO-, pellets is powder metallurgy techniques which is the routine process for the preparation of the pure U02 pellets. Currently the sintering of the pure U02 pellets are carried out either at high temperature under a reducing atmosphere or relatively lower temperature under a partially oxidizing atmosphere. Commercially U02 - Gd203 pellets are sintered only at high temperatures. In this thesis U02 - Gd^Oj nuclear fuel pellets are obtained using the powder metallurgy techniques and low - temperature sintering method is applied, then microstructures and density variations with respect to %Gd203 is studied, the results are discussed. U02 pellets with Gd^Oj content of 0-10% are sintered under C02 atmosphere at 1150°C (low temp, sintering) and changes in microstructures and densities depending on Gd content are investigated. Increasing Gd^Oj content coused a rapid decrease of density. Microstructure studies showed that decrease in the ratio U02 area to the total area was higher than the increase of Gd203 area. It is acited in literature that (U,Gd)02 solid solution starts forming over temperatures 1200°C (Yuda et al.). In this study mere was no formation of solid solution at low temperature sintered UC^-GdjOj pellets. The pellets with the same ratio Gd203 content were subjected to high temperature sintering for comparison solid solutions were formaed and densities of high temperature sintered pellets reached values of >95% theoretical density. Therefore to reach the desired densities using low temperature sintering it was seen that using powders with GdjOj content lower than 2% was necessary.