ZrO2-UO2固溶体形成机理及微观组织的研究

The distribution , morphology and grain size of ZrO2 sodid solution and UO2 solid solution in ZrO2-UO2 nuclear fuel will affect the performance of the nuclear fuels. To fabricate ZrO2 -UO2 fuels with uniform microstructure, compact matrix and low cracks, this project will discuss the uncleation and growing mechanism of ZrO2 solid solution and UO2 solid solution during heat treatment process, and it also will reseach the uncleation and growing mechanism of the supersaturation solute desolute and the form of new phase by the changing tempreture. By those works, it can be used to control the morphology, grain size, quantity and distribution of ZrO2 silid siolution and UO2 solid solution, and to restrain the cracking of situation of ZrO2 fuels by the distribution of microstructure the reversible Tetragonal-monoclinic phase transtomation of ZrO2 solid solution. This study will mainly discuss the effect of solid solution treatment and desolution treatment to the matrix microstructure. This project will investigate the effect of the heat treatment tempreture and holding time to the ion diffusion,and research the solid solution formation and the morphology of the primary solid solution and the second solid solution in the process of desolutionm, the relation of grain boundary and phase boundary in this desolution process, the ion diffusion mechanism of ZrO2-UO2 binary systerm, the thermodynamics and dynamics disciplinarian of ion diffusion by TG-DSC, metallurgical microscopy, X-ray diffracation and field emission scaning electron microscopy, which will afford theroy evidence for getting ZrO2 -UO2 fuels with uniform microstructure.

ZrO2-UO2核燃料中ZrO2固溶体与UO2固溶体的分布、微观形态和晶粒尺寸大小影响核燃料的性能。为了制备出微观组织均匀，基体致密、微裂纹少的ZrO2-UO2燃料，本项目研究热处理过程中ZrO2固溶体与UO2固溶体的形成和长大机制，研究因温度变化过饱和溶质脱溶析出产生新相的形核和长大机制，通过控制ZrO2固溶体与UO2固溶体的形态、大小、数量和分布，抑制微观组织分布的不均匀性和ZrO2固溶体可逆的四方-斜方相变引发ZrO2-UO2燃料的开裂。 本项目主要研究固溶和脱溶对基体微观组织的影响。采用TG-DSC、金相、XRD、FESEM等手段，研究烧结温度和保温时间等对离子扩散的影响，研究固溶体的形成和一次固溶体和二次固溶体的形态以及晶体界面和相界面的关系，研究ZrO2-UO2二元体系离子扩散机制，分析离子扩散的热力学和动力学规律，为获得微观组织均匀的ZrO2-UO2燃料提供理论依据。

本项目通过研究热处理工艺对芯块微观组织和性能的影响，探索离子扩散机制和ZrO2固溶体相变对基体微观组织的影响，获得ZrO2固溶体与UO2固溶体反应热力学和扩散动力学规律与固溶体的形核和长大机制，揭示ZrO2与UO2界面反应和扩散规律，得到以下结论：.(1)(U,Zr)O2固溶行为热力学分析表明：实验温度(1500℃~1650℃)范围内，UO2与ZrO2固溶的反应自由能变量∆Gm＜0，反应在热力学上是可行的，但温度对UO2与ZrO2彼此间可达到的固溶度具有显著影响，对于ZrO2含量＞20wt%的(U,Zr)O2，只有当温度达到1600℃甚至更高时才能完全固溶。.(2)ZrO2含量低于30wt%时，在1650℃ZrO2完全固溶与UO2中形成单一的面心立方结构U1-xZrxO2固溶体。固溶体的点阵参数与Zr含量呈线性关系，ZrO2固溶主要发生在高温阶段。在1650℃U1-xZrxO2固溶体中Zr最大固溶度为48mol%。.(3) （U，Zr）O2/ZrO2扩散反应层生长不符合抛物线规律，界面处U、Zr的互扩散实际上是在多相系统中进行， O、Zr和U原子不是简单按点阵扩散机制进行。.(4)立方结构U1-yZryO2固溶体在中低温下会脱溶出四方结构的U1-yZryO2的固溶体。从1650℃到1200℃，ZrO2在UO2中的溶解度迅速下降，从1650℃的48mol%降至1200℃的0.12mol%。而UO2在ZrO2中的溶解度变化较小，几乎为常数18~19mol%。脱溶出的U1-yZryO2的固溶体为片状结构，其聚集在U1-xZrxO2固溶体晶界处。.(5) 脱溶开始时速率较慢，随着脱溶时间的增加，脱溶速率增加。脱溶温度越高, 脱溶动力学就越大，脱溶速率越大，即完全脱溶时间就越短。.(6) 在1000℃以上温度没有出现氧化锆晶型的转变，整个温度段只出现四方结构的ZrO2，由于U4+固溶于ZrO2中，稳定了四方结构的ZrO2。