Mechanical properties of Urania-Zirconia solid solutions with tetragonal and monoclinic structures

正方晶および単斜晶構造のウラニア-ジルコニア固溶体の機械的特性

池内 宏知  ; 矢野 公彦 ; 荻野 英樹; 松永 純治*

Ikeuchi, Hirotomo; Yano, Kimihiko; Ogino, Hideki; Matsunaga, Junji*

燃料デブリの機械的特性(微小硬さ、弾性率、破壊靭性)は、東電福島第一原子力発電所の燃料デブリの取出し工程において重要な情報である。ウラニア-ジルコニア固溶体((U,Zr)O)は、冷却の過程で低Zr含有率の立方晶相と、高Zr含有率の正方晶相または単斜晶相に分かれると考えられる。立方晶相に関する機械的特性のデータはこれまでに蓄積されてきた。本研究では、正方晶または単斜晶相の機械的特性を調べ、高Zr含有率および異なる結晶構造の影響を調べた。UO粉末およびZrO粉末の混合圧密体を高周波誘導炉にて最大2673Kで焼結することにより、密度94-98%TDの(UZr)O試料(正方晶系でx=0.85、単斜晶系でx=0.95)を作製した。試料が目的の組成および結晶構造を有していることを確認した。微小硬さは、立方晶の傾向から推測されるよりも低い値を示した。弾性率は、立方晶相と同程度であった。正方晶の破壊靭性は、他の結晶構造と比べ高い値を示した。これは、圧痕近傍における応力誘起相変態によりクラックの伝搬が抑止されたためと考えられる。

Mechanical properties (micro-hardness, elastic modulus, and fracture toughness) of fuel debris are essential information for defueling work in the Fukushima Daiichi NPP. The Urania-Zirconia solid solution, (U,Zr)O, is expected to be separated into cubic phase with low Zr contents and tetragonal or monoclinic phase with high Zr contents during cooling process. In this study, the properties of tetragonal and monoclinic phase are investigated. The (UZr)O samples (x=0.85 for tetragonal phase and 0.95 for monoclinic phase) were prepared by sintering the compacted mixture of UO and ZrO powders at maximum 2673 K. The micro-hardness of samples was lower than what has been expected from trend of cubic phase. The elastic modulus was comparable with cubic phase. The fracture toughness of the tetragonal phase was higher than the other two phases. The stress-induced martensitic transformation around the indent is expected to increase the fracture toughness.