Stokiyometrik olmayan uranyum dioksitteki Alfa hasarı ve helyumun davranışı
Alpha damage and helium behaviour in non-stoichiometric uranium dioxide
Yazar: ZEYNEP TALİP
Danışman: PROF. DR. MERAL ERAL ; DR. THIERRY WISS
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nükleer Bilimler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Enerji = Energy ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering

Özet:
Kullanılmış nükleer yakıtta oluşan alfa radyasyon hasarı ve oksidasyonun,
uzun süre içerisindeki etkilerinin anlaşılması, nükleer atığın depolanması ve
bertaraf edilmesi sürecindeki güvenliği yönünden çok önemli bir konudur.
Kullanılmış yakıt içerisinde bulunan, genellikle uzun yarı ömürlü olan alfa
yayınlayıcı aktinitler, kullanılmış yakıt matrisi içerisinde büyük oranda helyum
oluşturacak ve muhtemel olarak kimyasal ve fiziksel modifikasyonlara neden
olacaktır. Stokiyometrik UO2?de helyumun davranışları 1960?lı yıllardan itibaren
çalışılmış olmasına rağmen, helyumun çözünürlüğü konusu tam olarak
aydınlatılamamış olup, stokiyometrik olmayan UO2?de helyumun davranışları
konusunda deneysel çalışmalar bulunmamaktadır. Bunun yanında hata mobilitesi
ve self difüzyon gibi atomik boyuttaki birçok özelliğin UO2?in stokiyometrisine
bağlı olduğu bilinmektedir.
Helyumun çözünürlüğü ve difüzyonu üzerine stokiyometri etkisinin
anlaşılabilmesi için stokiyometrik ve hiperstokiyometrik UO2 mono ve polikristal
örnekleri ile U3O8 polikristal örneklerinde infüzyon denemeleri
gerçekleştirilmiştir. Hipostokiyometrik UO2 yapısı sadece yüksek sıcaklıklarda
kararlıdır, UO2?in üç değerlikli lantan ile katkılanması yapı içerisinde
hipostokiyometrik UO2 konfigürasyonuna benzeyen oksijen boşlukları
oluşturabilir. Stokiyometri etkisinin her yönüyle incelenebilmesi için, farklı
oranlarda lantan katkılı UO2 örnekleri hipostokiyometrik UO2 yapısını temsilen
kullanılmıştır. İnfüzyon sonrası örnekler lazer ile ısıtılmış Knudsen hücre
içerisinde, örnekteki tüm helyum salınana kadar tavlanmış ve helyum salınım
profili ve toplam helyum miktarı sırasıyla kütle spektroskopisi ve kantitatif gaz
ölçüm sistemiyle ölçülmüştür. Düşük sıcaklık helyum difüzyonu üzerine
stokiyometrinin etkisinin anlaşılabilmesi için, stokiyometrik ve
hiperstokiyometrik UO2 monokristal örneklerinde izotermal helyum salınım
denemeleri, ısıtma sistemi içeren yüksek çözünürlük manyetik sektör kütle
spektroskopisi ile gerçekleştirilmiştir. Örneklerin karakterizasyonları, infüzyon
öncesi, infüzyon sonrası ve termal desorpsiyon ölçümleri sonrası;
termogravimetri, X-ışınları difraksiyonu, lazer flaş ve taramalı elektron
mikroskobu teknikleri ile gerçekleştirilmiştir. La katkılı UO2 örneklerindeki kafes
boşluklarının varlığı raman spektroskopisi ile incelenmiştir.
Helyum difüzyonu ayrıca %0.1 oranında plutonyum oksit katkılı UO2
örneklerinde farklı parametrelerin etkilerinin tek tek incelendiği çalışmalar ile
kullanılmış yakıtta oluşan radyojenik helyumun davranışı ve alfa radyasyon
hasarının anlaşılması için incelenmiştir. Örnek karakterizasyonları, X-ışınları
difraksiyonu, taramalı ve geçirimli elektron mikroskobu ile gerçekleştirilmiştir.
Örneklerdeki helyum salınım profili ve toplam helyum miktarı sırasıyla Knudsen
efüzyon kütle spektrometresi ve kantitatif gaz ölçüm sistemiyle ölçülmüştür.
Helyum difüzyonunun simülasyonunda tekli gaz atomu ve kabarcıkların
migrasyonu ile tuzaklanma, tane ve kabarcık büyümesi etkilerini göz önünde
bulunduran yeni bir model geliştirilmiştir. Deneysel verilerin tanımlanabilmesi
için, geliştirilen model ticari bir multifizik yazılımına uygulanmış ve gaz atomu
ve kabarcık difüzyon katsayıları arasındaki ilişki öngörülmüştür. Son olarak,
literatürdeki mevcut veriler ve bu tez çalışmasındaki sonuçlar ışığında, helyum
difüzyonu üzerinde radyasyon hasarının etkisi incelenmiştir.
Genel olarak bu tez çalışması, helyumun stokiyometrik UO2 ile
stokiyometrik olmayan UO2 ve Pu katkılı UO2 gibi kusurlu yapılardaki
davranışları konusunda yeni bir bakış açısı kazandırmaktadır.

Abstract:
Understanding the long term behaviour of the UO2 spent fuel in terms of
alpha radiation damage and oxidation is a very important issue for the safety
aspects of storage or disposal. Actinides contained in the spent fuel being alpha
emitters, often with a long half life, will generate large quantities of helium and
possibly cause chemical and physical modifications of the spent fuel matrix.
Although helium behaviour in stoichiometric UO2 has been studied since the
1960s, the helium solubility in UO2 is not well established and there is a lack of
experimental studies for helium behaviour in non-stoichiometric UO2.
Furthermore, it is known that many properties at the atomic scale such as defect
mobility and self diffusion are strongly dependent on the stoichiometry of UO2.
In order to assess the effect of the stoichiometry on helium solubility and
diffusion, infusion experiments were performed on stoichiometric and
hyperstoichiometric single and polycrystalline UO2 samples as well as on U3O8
polycrystalline samples. Hypostoichiometric UO2 is stable only at high
temperatures, doping UO2 with a trivalent solute such as lanthanium can create an
oxygen vacancy environment that is similar to the hypo-stoichiometric UO2
configuration To have a comprehensive picture on the helium behaviour in nonstoichiometric
UO2 systems, La-doped UO2 samples with various La-content were
also used as a surrogate of hypostoichiometric UO2 structure. After infusion, the
samples were annealed in a laser heated Knudsen cell until all the helium was
released and helium release profiles and total helium quantities were measured
using a mass spectrometer and a quantitative gas measurement systems,
respectively. Isothermal helium release measurements were also performed on
stoichiometric and hyperstoichiometric UO2 monocrystal samples to understand
the role of stoichiometry on low temperature helium diffusion, using a high
resolution magnetic sector mass spectrometer coupled with a furnace.
Characterization of the samples before, after infusion and after thermal desorption
measurements were performed by thermogravimetry, X-ray diffraction, laser flash
technique and scanning electron microscopy, presence of oxygen vacancies in the
La doped UO2 samples were investigated by Raman spectroscopy.
Helium diffusion was also investigated in 0.1 wt.% plutonium oxide doped
UO2 samples to study the alpha-damage effects and the behaviour of radiogenic
helium in the spent nuclear fuel by single effects studies. Characterizations were
performed by X-ray diffraction, scanning and transmission electron microscopy.
Helium release profiles and total helium quantities were measured using a
Knudsen effusion mass spectrometer and a quantitative gas measurement system,
respectively. A new model for the simulation of helium diffusion has been
developed taking into account single gas atom and bubble motion, trapping, grain
and bubble growth. The model, embedded into commercial multiphysics software,
to provide a description of the experimental data and correlations for gas-atom
and bubble diffusion coefficients have been proposed. Finally, the effect of
radiation damage on helium diffusion was assessed by comparing the results of
the present study with the literature data.
In general this study gives new insight into the relevant aspect to consider
for the behavior of helium in stoichiometric UO2 and defected systems such as
nonstoichiometric UO2 and Pu doped UO2.