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Oxygen and uranium diffusion in uranium dioxide (a review)

1969; Elsevier BV; Volume: 30; Issue: 1-2 Linguagem: Francês

10.1016/0022-3115(69)90163-9

1873-4820

J. Belle,

Nuclear reactor physics and engineering

Oxygen and uranium self-diffusion coefficients determined experimentally by a variety of techniques are reviewed and compared. In the case of oxygen selfdiffusion for essentially stoichiometric UO2, the expression, D = 1.15 exp(−56700 ± 1000/RT)cm2/sec, fits the data for three separate sets of observations covering a range of 10 orders of magnitude in the diffusion coefficient. Variations in the diffusion coefficient and activation energies with composition for UO2 + x are not as definitive but are in qualitative agreement with the Thorn-Winslow statistical-mechanical model of a crystal having a perfect cation lattice and anionic vacancies and interstitials. In the case of uranium self-diffusion, on the other hand, agreement among the various sets of data for nominally stoichiometric UO2 is poor. Experimentally determined activation energies range from 70 to about 105 kcal/mole. Two investigations of the effect of composition on uranium self-diffusion coefficients in UO2 + x indicate the diffusion coefficient, D, to be proportional to x2. This behavior is consistent with the theoretical model developed by Lidiard which relates defects in the anion and cation sub-lattices by way of Frenkel and Schottky products. Les coefficients d'autodiffusion de l'oxygène et de l'uranium, déterminés expérimentalement par un grand nombre de techniques, sont passés en revue et comparés. Dans le cas de l'autodiffusion de l'oxygène pour UO2 essentiellement stoechiométrique, les données expérimentales satisfont à l'équation D = 1,15 exp (− 56,700 ± 1000/RT) cm2/sec pour 3 séries séparées d'observation couvrant un domaine de 10 ordres de grandeur de la valeur du coefficient de diffusion. Les variations dans le coefficient de diffusion et les énergies d'activation avec des oxydes de composition UO2 + x ne sont pas aussi définitives, mais se trouvent en accord qualitatif avec le modèle de mécanique statistique de Thorn-Winslow, modèle s'appliquant à un cristal ayant un réseau cationique parfait et des lacunes anioniques et des interstitiels. Dans le cas de l'autodiffusion de l'uranium d'autre part, l'accord entre les différentes séries de données pour l'oxyde UO2 exactement stoechiométrique est faible. Les énergies d'activation déterminées expérimentalement s'étendent de 70 à 105 kcal/mole environ. Deux études de l'effet de la composition sur les coefficients d'autodiffusion de l'uranium dans UO2 + x indiquent que le coefficient de diffusion D est proportional à x2. Ce comportement est en accord avec le modèle théorique développé par Lidiard qui relie les défauts dans les sous-réseaux anionique et cationque iau moyen de produits de Frenkel et Schottky. Die Selbstdiffusionskoeffizienten von Sauerstoff und Uran, die mit verschiedenen Methoden bestmimt wurden, werden zusammengefasst und verglichen. Für die Sauerstoffselbstdiffusion in vorwiegend stöchiometrischem UO2 ergibt sich die Beziehung D = 1.15 exp (56 700 ± 1 000/RT) · [cm2/sec]. Ihre Übereinstimmung mit den Ergebnissen von drei verschiedenen Versuchsreihen erstreckte sich über mehrere Zehnerpotenzen des Diffusionskoeffizienten. Die Änderung des Diffusionskoeffizienten und der Aktivierungsenergie mit der Zusammensetzung von UO2+x ist noch nicht gesichert, steht aber in Übereinstimmung mit dem statistisch-mechanischen Modell nach Thorn-Winslow, das ein perfektes Kationengitter und Anionen-Leerstellen und -Zwischengitteratome annimmt. Für die Uranselbstdiffusion andererseits ist die Übereinstimmung zwischen verschiedenen Reihen von Ergebnissen sehr schlecht. Experimentell ermittelte Werte der Aktivierungsenergie liegen zwischen 70 und etwa 105 kcal/mol. Zwei Untersuchungen der Uranselbstdiffusion in Abhängigkeit von der Stöchiometrie deuten darauf hin, dass der Diffusionskoeffizient D proportional zu x2 ist. Dieses Verhalten ist in Übereinstimmung mit den theoretischen Überlegungen von Lidiard, wonach die Störung in den Anionen- und Kationenteilgittern aus Frenkel- und Schottkydefekten besteht.