Aufklärung des Einflusses der Mikrostruktur auf die oxidative Langzeitkorrosion von Urandioxid: Ein fundamentaler Ansatz von der Synthese und Korrosion bis hin zur Elektronenmikroskopie und atomistischer Simulation an vereinfachten Modellsystemen

• Antragsteller: Dr. Felix Brandt; Professor Roger De Souza, Ph.D.; Professor Dr. Joachim Mayer
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Mineralogie, Petrologie und Geochemie ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 455439961

Ziel des hier vorgeschlagenen Projekts ist, ein grundlegendes Prozessverständnis zu den Mechanismen der oxidativen Korrosion von UO2-basierten Keramiken zu entwickeln und so einen Beitrag zu Sicherheitsforschung ausgedienter nuklearer Brennelemente zu leisten. Eine Besonderheit der nuklearen Brennelemente ist, dass in ihnen mehrere Elemente enthalten sind, die von einem niedrigen zu einem höheren Oxidationszustand oxidiert werden können. Aufgrund der Behälterkorrosion (typischerweise Edelstahl) wird das generelle geochemische Milieu im Bereich eines Endlagers zwar als reduzierend angenommen. An der Oberfläche des UO2-basierten Brennelementes entstehen aber durch die strahlungsbedingte Hydrolyse des Wassers kontinuierlich oxidative Spezies, von denen H2O2 die wirksamste ist. Bei der Oxidation gehen die Actinide von schwerlöslichen in leichtlösliche Spezies über und diese dann in Lösung. Diese Reaktion ist im Grundsatz vergleichbar mit der Korrosion von Metallen, so dass man die Auflösung von ausgediententen nuklearen Brenn- elementen auch als Korrosion eines polykristallinen Materials ansehen kann. Ausgehend von der Arbeitshypothese, dass die Korrosion an den Korngrenzen einen wesentlich zur Gesamtkorrosion beiträgt, wird hier ein Schwerpunkt des Projekts gelegt. Zu diesem Zweck wird ein kombinierter makroskopischer und mikroskopischer Ansatz gewählt, der aus der Herstellung, Charakterisierung und Korrosion von einfachen UO2 als Referenz, komplexeren, mit seltenen Erden dotierten und in einem weiteren Schritt mit metallischen Präzipitaten versehenen Modellsystemen besteht. An diesen Materialien wird mittels klassischer Elektronenmikroskopie, Mikroelementanalytik (EDX) und Elektronenstrahlbeugung (EBSD) untersucht, wie die Korngrenzen und Schwachstellen im Gefüge sowie die Orientierung der Körner sich auf die Auflösung auswirken. Fortgeschrittene Transmissionselektronenmi- kroskopie (HRTEM) wird dann für hochauflösende Detailbetrachtungen eingesetzt. Zusätzlich werden atomistische Simulationen von Korngrenzen durchgeführt, um die Defektthermodynamik zu bestimmen. Aus diesen Daten werden in Kontinuumssimulationen die Defektkonzentrationen in den Raumladungszonen vorhergesagt, da bei Festkörperreaktionen Punktdefekte eine zentrale Rolle spielen.Aus der Verbindung von experimentellen und theoretischen Ergebnissen sollen Schlussfolgerungen über die atomistischen Prozesse bei der Korrosion von Actinidoxiden und der Rolle der Korngrenzen abgeleitet werden und zu einem makroskopischen Modell der Auflösung von UO2-basierten Keramiken kombiniert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen