Verlag des Forschungszentrums Jülich

JUEL-4180
Titov, Maxim
Characterisation and final disposal behaviour of thoria-based fuel kernels in aqueous phases
154 S., 2005

Charakterisierung und Endlagerverhalten von (Th,U)-Mischoxidbrennstoffkernen im wässrigen Phasen
Während der Betriebszeit sind in den zwei deutschen Hochtemperaturreaktoren (AVR und THTR) ca. eine Million abgebrannte Brennelemente angefallen. Als Brennstoff wurde vorwiegend ein Thoriumuranmischoxid verwendet, aber auch reines Uranoxid sowie karbidische Brennstoffe wurden getestet. Eine Entsorgungsmöglichkeit für die abgebrannten HTR-Brennelemente ist die direkte Endlagerung in tiefen geologischen Formationen. Für die Langzeitsicherheitsbewertung der Endlagerung müssen die Eigenschaften der Kernbrennstoffkerne und vor allem das Auslaugverhalten in wässrigen Phasen bekannt sein.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Verhalten von unbestrahlten ThO2-, (Th0.906,U0.094) O2-, (Th0.834,U0.166)O2- sowie UO2 -Brennstoffkernen untersucht. Die Zusammensetzung, Kristallstruktur und Oberfläschenbeschaffenheit der Kerne wurde mit traditionellen Methoden bestimmt. Außerdem wurde eine neue Prüfmethode entwickelt, um die mechanischen Eigenschaften von keramischen Kernen zu bestimmen. Sie wurde erfolgreich zur Untersuchung der mechanischen Stabilität der Kerne bzw. deren Veränderung durch Kontakt mit aquatischen Phasen eingesetzt.
Die Auslaugung der auf Thoriumdioxid basierten Kerne und Pulvern wurde in endlagerrelevanten Salzlaugen sowie künstlichen Wässern bestimmt. Dabei wurde der Einfluss verschiedener experimenteller Parameter auf die Auslaugstabilität der Kerne untersucht. Die Versuche zeigten, dass die auf Thoriumdioxid basierten Brennstoffkerne eine hohe chemische Stabilität aufweisen. Sowohl oxidirende Bedinungen als auch Radiolyseproducte hatten keinen Einfluss auf die Auslaugstabilität. Die Auflösungsrate der auf Thoriumdioxid basierten Materialien war mehrere Größenordnungen geringer als die der UO2-Brennstoffkerne. Die Lebenszeit eines unversehrten (Th,U)O2 Kerns wurde unter aggressiven Bedingungen der Salzendlagerung ungefähr ein hundert tausend Jahre geschätzt. Die Bedeutung der Korngrenzenqualität auf der Auslaugungstabilität wurde demonstriert. Numerische Simulationen mittels Monte Carlo Rechnungen wurden durchgeführt, um die Auslaugergebnisse zu erklären.


Characterisation and final disposal behaviour of thoria-based fuel kernels in aqueous phases
Two high-temperature reactors (AVR and THTR) operated in Germany have produced about 1 million spent fuel elements. The nuclear fuel in these reactors consists mainly of thorium-uranium mixed oxides, but also pure uranium dioxide and carbide fuels were tested. One of the possible solutions of utilising spent HTR fuel is the direct disposal in deep geological formations. Under such circumstances, the properties of fuel kernels, and especially their leaching behaviour in aqueous phases, have to be investigated for safety assessments of the final repository.
In the present work, unirradiated ThO2, (Th0.906,U0.094)O2, (Th0.834,U0.166)O2 and UO2 fuel kernels were investigated. The composition, crystal structure and surface of the kernels were investigated by traditional methods. Furthermore, a new method was developed for testing the mechanical properties of ceramic kernels. The method was successfully used for the examination of mechanical properties of oxide kernels and for monitoring their evolution during contact with aqueous phases.
The leaching behaviour of thoria-based oxide kernels and powders was investigated in repositoryrelevant salt solutions, as well as in artificial leachates. The influence of different experimental parameters on the kernel leaching stability was investigated. It was shown that thoria-based fuel kernels possess high chemical stability and are indifferent to presence of oxidative and radiolytic species in solution. The dissolution rate of thoria-based materials is typically several orders of magnitude lower than of conventional UO2 fuel kernels. The life time of a single intact (Th,U)O2 kernel under aggressive conditions of salt repository was estimated as about hundred thousand years. The importance of grain boundary quality on the leaching stability was demonstrated. Numerical Monte Carlo simulations were performed in order to explain the results of leaching experiments.

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Letzte Änderung: 07.06.2022