Elucidation of helium behavior in MA-MOX fuel by use of computational science and control of defect formation

2013 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 23246174
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Nuclear engineering
• Research Institution: Japan Atomic Energy Agency
• Principal Investigator: SERIZAWA Hiroyuki 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力基礎工学研究センター, 研究員 (90355008)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): TAKANO Kimihide 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力基礎工学研究センター, 研究員 (40501367) ; IWAI Takashi 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力基礎工学研究センター, 研究員 (30355010) ; NAKAJIMA Kunihisa 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力基礎工学研究センター, 研究員 (00355009) ; SUZUKI Michito 独立行政法人日本原子力研究開発機構, システム計算センター, 研究員 (10596547) ; NAKAMURA Hiroki 独立行政法人日本原子力研究開発機構, システム計算センター, 研究員 (40350483) ; MACHIDA Masahiko 独立行政法人日本原子力研究開発機構, システム計算センター, 研究員 (60360434) ; HAGA Yoshinori 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター, 研究員 (90354901) ; 大澤 崇人 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 量子ビーム応用研究センター, 研究員 (70414589) ; YAMANAKA Shinsuke 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (00166753) ; OHISHI Yuji 大阪大学, 大学院工学研究科, 助教 (20571558)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2014-03-31
• Keywords: ネガティブクリスタル / イメージクリスタル / 負結晶 / 単結晶 / ヘリウム / 欠陥 / ファセット / 結晶成長

Research Abstract

Our study implies that the shape of the negative crystal should change depending on the helium inner pressure enclosed in the negative crystal. The shape of the negative crystal can easily be controlled by the helium injection method. We named the shape controlled negative crystal an image crystal. Our detailed observation indicates that the growth process of the image crystal can be explained by a step free energy model rather than an attachment energy. We could not find a cuboctahedron-type negative crystal of which the surface area is larger than that of a pentacontahedron-type negative crystal with the same volume. In a grain of the raw powder of MA-MOX fuel, helium produced by a-decay is accumulated. The helium may precipitate in the grain-boundary region to form gas bubbles, which will deleteriously affect the sintering process, the formation of gas bubbles poses a serious problem with respect to the quality control of nuclear fuel when MA-MOX is adapted as a standard fuel.

Research Products

• [Journal Article] Variation in the surface morphology of polycrystalline UO2 powder induced by helium precipitation (2013)
  • Author(s): Hiroyuki Serizwa, Junji Matsunaga, Kunihisa Nakajima, Shinji Kashibe, Yoshiyuki Kaji
  • Journal Title: J. Asian Ceram. Soc. Volume: 1 Pages: 289-295
• [Journal Article] Formation and Growth of Image Crystals by Helium Precipitation (2013)
  • Author(s): Hiroyuki Serizawa, Junji Matsunaga, Yoshinori Haga, Kunihisa Nakajima, Mitsuo Akabori, Tomohito Tsuru, Yoshiyuki Kaji, Shinji Kashibe, Yuji Ohisi, Shinsuke Yamanaka
  • Journal Title: Cryst. Growth Des. Volume: 13 Pages: 2815-2823
• [Journal Article] Microscopic theory of the insulating electronic ground states of actinide dioxides, AnO2(An=U, Np, Pu, Am and Cm) (2013)
  • Author(s): M.-T. Suzuki, N. Magnani, P. M. Oppeneer
  • Journal Title: Phys. Rev. B Volume: 88 Pages: 195146-195160
• [Journal Article] 酸化物燃料中の Heガス挙動に関する研究(I)、―析出したヘリウムによる組織変化―(共同研究) (2011)
  • Author(s): 芹澤弘幸、松永純治、芳賀芳範中島邦久、樫部信司、岩井孝
  • Journal Title: JAEA-Research Volume: 2011-025
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Helium bubbles in UO2
  • Author(s): J. Matsunaga, S. Kashibe, H. Serizawa, K. Nakajima, T. Iwai, Y. Haga, Y. Ohishi, S. Yamanaka
  • Journal Title: proceedings of 1th ANFC in Osaka
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Study on formation of helium bubbles in CeO2-x
  • Author(s): J. Matsunaga, S. Kashibe, H. Serizawa, Y. Ohishi, S. Yamanaka
  • Journal Title: Proceedings of NUMAT2012
• [Presentation] セラミックス中に発生する形状制御可能なキャビティー ;イメージクリスタル (2013)
  • Author(s): 芹澤弘幸、大石佑治、芳賀芳範、山中伸介、都留智仁、加治芳行、松永純治、樫部信司
  • Organizer: 国際セラミックス総合展 2013
  • Place of Presentation: 東京都
  • Year and Date: 20130925-27
• [Presentation] イメージクリスタルの形状変化に影響する因子 (2013)
  • Author(s): 芹澤弘幸、大石佑治、芳賀芳範、山中伸介、都留智仁、加治芳行、松永純治、樫部信司
  • Organizer: 日本セラミックス協会第26回秋季シンポジウム
  • Place of Presentation: 長野県長野市
  • Year and Date: 20130904-06
• [Presentation] 酸化物燃料におけるヘリウムバブル形成機構についての一考察 (2013)
  • Author(s): 松永純治、樫部信司、芹澤弘幸、大石佑治、山中伸介
  • Organizer: 日本原子力学会
  • Place of Presentation: 大阪府東大阪市
  • Year and Date: 20130326-28
• [Presentation] 二酸化ウラン中のネガティブクリスタルが拓く新しい科学 (2012)
  • Author(s): 芹澤弘幸
  • Organizer: 第7回高崎量子応用研究シンポジウム
  • Place of Presentation: 群馬県高崎市
  • Year and Date: 20121011-12
• [Presentation] UO2のヘリウム圧入によって形成されたネガティブクリスタル形状と内圧の関係 (2012)
  • Author(s): 松永純治、樫部信司、芹澤弘幸、中島邦久、岩井孝、芳賀芳範、大石佑治、山中伸介
  • Organizer: 日本原子力学会
  • Place of Presentation: 広島県東広島市
  • Year and Date: 20120911-21
• [Presentation] ヘリウム吸蔵 UO2の気泡スエリング (2011)
  • Author(s): 松永純治、樫部信司、芹澤弘幸、中島邦久、岩井孝
  • Organizer: 日本原子力学会
  • Place of Presentation: 福岡県北九州市
  • Year and Date: 20110919-22
• [Book] FORMATION AND MORPHOLOGY OF UO2 IMAGE CRYSTAL, New Research Trends of Fluorite-Based Oxide Materials: From Basic Chemistry and Materials Science to Engineering Applications (2014)
  • Author(s): Hiroyuki Serizawa, Yuji Ohisi, Yoshiyuki Kaji, Shinsuke Yamanaka
  • Publisher: (in press)