Encapsulated additive nuclear fuels
- Reference number
- ID17-0078
- Start and end dates
- 171201-230630
- Amount granted
- 2 500 000 SEK
- Administrative organization
- KTH - Royal Institute of Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The current proposal concerns the development of a novel nuclear fuel, with potential for improving the economy of nuclear power plants in Sweden, as well as constituting a major export product for Swedish nuclear fuel manufacturing industry. Adding microspheres of uranium nitride (UN) into conventional uranium oxide (UO2) fuel, one may simultaneously improve both fuel economy and fuel safety. In order to prevent detrimental interaction between UN and UO2, e.g. by formation of oxy-nitrides, the UN spheres need to be encapsulated by a ductile material impermeable to oxygen migration and featuring a high melting point, such as molybdenum or tungsten metal. In a similar fashion, encapsulated uranium boride and/or zirconium boride microspheres can be added to the UO2 fuel, in order to function as integral burnable absorbers. In this project, a combination of innovative manufacturing methods for such composite fuels will be applied, and their performance in-pile will be evaluated through thermo-mechanical modelling, including effects of burn-up. The microspheres will be synthesized using the sol gel process, whereas coating of the microspheres will be made by atomic layer and/or chemical vapour deposition methods. Finally, high density pellets will be produced using spark plasma sintering. Modelling of thermal conductivity and stress fields will be made using finite element methods, and the radial burn-up distribution in the pellet will be obtained using Monte Carlo methods.
Popular science description
Både kärnkraft och förnybara energikällor behövs för att världen skall kunna möta klimatmålen som FN satt upp fram till 2050. I syfte att göra kärnkraften både mer ekonomisk och säkrare har KTH och Westinghouse samarbetat om att utveckla så kallade "olyckstoleranta kärnbränslen". I detta projekt kommer en industridoktorand att utveckla metoder för att tillverka och bädda in millimeterstora sfärer av urannitrid i konventionella urandioxidkutsar. Genom detta tillvägagångssätt kan man kombinera vattentoleransen hos urandioxid med den högre urantätheten och bättre värmeledningsförmågan hos urannitrid. För att urandioxiden inte skall reagera kemiskt med urannitriden, så behöver urannitridsfärerna inkapslas i ett mjukt material med hög värmeledningsförmåga som inte släpper genom syreatomer. Detta material kan vara till exempel molybden- eller wolframmetall. Dessutom kommer doktoranden att modellera beteendet för det sammansatta materialet med olika tekniker för att bestämma dess värmeledningsförmåga och de belastningar bränslekutsarna kommer att utsättas för under drift i en kärnkraftsreaktor.