Niyobyum katkılı (U,Th)O2 peletlerinin üretim şartları ve seramik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of product conditions and ceramic characteristics of niobium doped (U,Th)O2 pellets
Yazar: ECEM ALTINOK
Danışman: DOÇ. DR. HAYATİ SARI
Gaziosmanpaşa Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Bölümü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Çalışmanın amacı iç jelasyon yöntemi kullanılarak homojen ve yüksek yoğunluğa sahipNb2O5 katkılı ve katkısız UO2, ThO2 ve (U,Th)O2 mikrokürelerinin hazırlanmasıdır. Solüretim koşulları jel üretiminde önemli etkenlerdendir. Besleme çözeltisinin jelasyondavranışı HMTA (hegzametilentetramin) ve üre maddelerinin metal nitrat çözeltisi ilereaksiyon şartlarına bağlı olarak değişmektedir. Besleme materyali UO2(NO3)2.6H2O veTh(NO3)4.6H2O çözeltilerinden hazırlanmıştır. Elde edilen mikroküreler yıkanıpkurutulduktan sonra ısıl işlem görmüştür.İndirgenmiş/kalsine edilmiş Nb2O5 katkılı olan bütün mikrokürelerin, ThO2 dışında,ortalama çaplarının daha büyük olduğu belirlenmiştir. Kurutulmuş ve ısıl işlem görmüşmikrokürelerde Nb2O5 katkısı ThO2 ve (U0,4Th0,6)O2 mikroküreleri dışında yığma vesarsma yoğunluklarını azaltmıştır. İndirgenmiş (U0,1Th0,9)O2 mikroküreleri dışındamikrokürelerin yığma ve sarsma yoğunlukları arasında büyük farklar belirlenmemiştir.Kurutulmuş mikrokürelerin hava ve Ar-H2 atmosferinde TGA-DTA analizleriyapılmıştır. Buna göre kuru uranyum mikrokürelerinin hava atmosferinde yapılananalizinde 200-400 ºC aralığında organik maddeler bozunmuş ve uranyum ve uranyumtoryumkarışık mikroküreleri 550-650 ºC aralığında U3O8' e dönüşmüştür. Kuruuranyum ve uranyum-toryum karışık mikroküreleri 600-700 ºC aralığında UO2dönüşümünü tamamlamıştır. İndirgenmiş mikrokürelerin TG analizleri havaatmosferinde yapılmıştır. UO2 mikrokürelerinin U3O7' ye 230 ºC' da ve U3O8' e ise 420ºC' da, uranyum-niyobyum mikrokürelerinin ise U3O7' ye 200 ºC' da ve U3O8' e ise 430ºC' da dönüştüğü görülmüştür.Toz numunelerde tane boyutu değişiminin incelenmesi amacıyla SEM görüntülerialınmıştır. (U,Th)O2 mikrokürelerin yapısında ThO2 yüzdece daha fazla olduğundan tozözellikleri de benzerdir.Kristal yapılarının belirlenmesi için XRD analizleri yapılmıştır. UO2 ve ThO2mikrokürelerinin kristal yapıları fcc (yüzey merkezli kübik) olarak bulunmuştur.(U,Th)O2 tozlarına ait pikler UO2 ve ThO2 piklerinden daha geniş olarak belirlenmiştir.Yapıda bulunan UO2 miktarındaki artışla (U,Th)O2 pikleri UO2 pikine doğru kaymıştır.Yapıda Nb2O5' in düşük yüzdede olması nedeniyle katkısız olan tozlarla aralarında birfark tespit edilememiştir.Mikrokürelerin sinterleme işlemi 4 saat % 5 H2 + % 95 Ar atmosferinde yapılmıştır.Buna göre UO2 ve ThO2'nin sinterlenmiş pelet yoğunluğunun >% 84 TY olduğubelirlenmiştir. (U,Th)O2 peletlerinde ise sinterlenmiş pelet yoğunlukları sinterlenmişUO2 ve ThO2' nin teorik yoğunluğuna göre daha düşük bulunmuştur. Karışık peletlerdepelet yoğunluğu uranyum yüzdesindeki artışla artmıştır.

Abstract:
The aim of this study is to prepare homogeneous and dense Nb2O5 doped and undopedUO2, ThO2, and (U,Th)O2 microspheres by internal gelation process. Sol preparationconditions are the important factors for gel production. Feed solutions? gelationbehaviour is depending on reaction conditions of HMTA (hexamethylenetetramine) andurea with metal nitrate solutions. Feed materials are prepared by UO2(NO3)2.6H2O andTh(NO3)4.6H2O solutions. Obtained microspheres were washed and dried andafterwards heat treated.All the reduced/calcined Nb2O5 doped microspheres, except ThO2, average diameterswere bigger than undopled. Dried and heat treated Nb2O5 doped microsheres?, exceptThO2 and (U0,4Th0,6)O2, bulk and tap densities were decreased by Nb2O5. Except(U0,1Th0,9)O2 all the microspheres bulk and tap densities small difference weredetermined.Dried microspheres were analysed in air and Ar-H2 atmospheres by TGA-DTA.According to air atmosphere analysis, organic compounds were decomposed at 200-400ºC range and uranium and uranium-thorium mixed microspheres turned to U3O8 at 550-650 ºC range. Dried uranium and mixed oxide microspheres are converted to UO2 at600-700ºC. Reduced microspheres? termogravimetric analysis were performed at airatmosphere. According to TG figure UO2 converted to U3O7 at 230 ºC and U3O8 at 420ºC and in doped microspheres U3O7 formed at 200 ºC and U3O8 formed at 430 ºC.SEM images of powder samples were obtained in order to examine the grain size.Powder properties of (U,Th)O2 microspheres were similar to ThO2 because of its highpercentage.XRD analysis were determined to clarify their crystal structures. Crystal structure ofUO2 and ThO2 microspheres were found as fcc (face centered cubic) type. (U,Th)O2powders peaks were larger than either UO2 or ThO2 peaks. Mixed oxides peaks shiftedto UO2 peaks by the increase of UO2 amount. Due to the low percentage of Nb2O5,doped and undoped peaks were similar.Microsphere sintering were performed in % 5 H2 + % 95 Ar atmosphere for 4 hours.According to sintering, theoric density of UO2 and ThO2 pellets were found > 84 %.Sintered pellet densities of (U,Th)O2 were found smaller than theoric densities of UO2and ThO2. Mixed oxide pellet densities were increased by the increase of uraniumpercentages.