Uranium nitride (UN) pellets with controllable microstructure and phase – fabrication by spark plasma sintering and their thermal-mechanical and oxidation properties

材料科学 颗粒 微观结构 放电等离子烧结 烧结 粒度 冶金 球磨机 晶粒生长 复合材料
作者
Kun Yang,Erofili Kardoulaki,Dong Zhao,Andre Broussard,Kathryn Metzger,Joshua T. White,Michael R. Sivack,Kenneth J. McClellan,Edward J. Lahoda,Jie Lian
出处
期刊:Journal of Nuclear Materials [Elsevier BV]
卷期号:557: 153272-153272 被引量:44
标识
DOI:10.1016/j.jnucmat.2021.153272
摘要

Dense uranium mononitride (UN) pellets with controlled microstructures and tailored grain size from large-grained to a few microns are synthesized by spark plasma sintering (SPS) combined with high energy ball milling. The impacts of the sintering conditions on fuel microstructure, grain size, physical density, and phase behavior are systematically investigated, and the thermal-mechanical properties and oxidation behavior of the SPS densified UN pellets are characterized. Higher sintering temperatures and longer ball milling durations and thus finer starting UN powders promote sintering and densification, and dense UN pellets above 95% theoretical density can be achieved by SPS at 1873 K for 10 min. UN phase purity is maintained in the SPS-densified pellets sintered at a lower temperature and short duration. A phase heterogeneity with secondary UO2 or uranium sesquinitride (U2N3) occurs for the UN pellets sintered at higher temperatures using finer UN powders. The hardness and fracture toughness of the SPS-densified UN pellets increase with smaller grain sizes and higher densities to 7.9 GPa and 3.5 MPa m1/2, respectively. Both small (1–2 μm) and large grain-sized (30–50 µm) UN pellets exhibit good thermal conductivity. Dynamic oxidation testing by a thermogravimetric analyzer in air shows that the onset temperature for oxidation varies with microstructure and phase heterogeneity of the SPS densified UN pellets. Particularly, the smaller-grained (micron-sized) UN pellets containing uranium oxides and U2N3 display lower weight gain and significantly-reduced oxidation kinetics, and full oxidation completes at a temperature above 1173 K when tested with a ramp rate of 10 K/min.
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