Preparation and characterisation of uranium spent fuel surrogate with embedded fission products

Abstract

Understanding the behaviour of fission products (FPs) is critical for advancing nuclear reactor safety and optimising radioactive waste management. This thesis presents preparation and characterisation of simulated nuclear fuel pellets based on uranium dioxide doped with volatile FPs - caesium and iodine - using spark plasma sintering (SPS). Compared to conventional sintering, SPS enables densification at lower temperatures and with shorter dwell times, facilitating the retention of temperature-sensitive species. The produced simfuel pellets are analysed via scanning electron microscopy (SEM), powder X-ray diffraction (PXRD), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), confirming successful incorporation of Cs and I. The pellets exhibit sufficient integrity, density, and some microstructural variability for subsequent release testing. These samples will undergo advanced analyses at the VTT Centre for Nuclear Safety, Finland, including annealing experiments with aerosol monitoring and characterisation, leaching experiments and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) characterisation. The results aim to support predictive models of FP release under severe accident conditions, thus contributing to the field of nuclear materials science.

Porozumění chování štěpných produktů (FP) je zásadní pro zajištění bezpečnosti jaderných reaktorů a optimalizaci nakládání s radioaktivním odpadem. Tato diplomová práce se zabývá přípravou a charakterizací surogátu vyhořelého jaderného paliva: pelet na bázi oxidu uraničitého, dopovaných těkavými FP - cesiem a jódem. Příprava proběhla pomocí metody Spark Plasma Sintering (SPS). Na rozdíl od konvenčního slinování umožňuje SPS densifikaci při nižších teplotách a v kratších časech, což usnadňuje retenci teplotně citlivých látek ve výsledném materiálu. Vyrobené simfuel pelety byly analyzovány pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (SEM), práškové rentgenové difrakce (PXRD) a energiově-disperzní spektroskopie rentgenového záření (EDS), přičemž byla potvrzena úspěšná inkorporace Cs a I. Pelety vykazují dostatečnou integritu, hustotu a mikrostrukturální variabilitu pro následné testy uvolňování FP. Připravené vzorky budou dále analyzovány ve VTT Centru pro jadernou bezpečnost ve Finsku, kde proběhnou experimenty žíhání za současného monitorování a charakterizace uvolněných aerosolových částic, loužící experimenty a charakterizace vzorků pomocí ICP-MS. Výsledky podpoří prediktivní modely chování FP za podmínek těžkých havárií a přispějí k rozvoji vědy v oblasti jaderných materiálů.