Atomistic modeling of nuclear waste materials : cases of ceramic waste forms and nuclear graphite

Ji, Yaqi; Bosbach, Dirk Adolf; Roth, Georg

doi:37601

Atomistic modeling of nuclear waste materials : cases of ceramic waste forms and nuclear graphite

Ji, Yaqi^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master Yaqi Ji

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (xx, 140 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bosbach, Dirk Adolf (Thesis advisor)^RWTH* ; Roth, Georg (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-10-30

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-230012
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/749291/files/749291.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/749291/files/749291.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
atomistic modeling (frei) ; nuclear waste forms (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Studien im Rahmen dieser Dissertation fokussieren auf die Anwendung atomistischer Modellierungen zur Berechnung verschiedener Eigenschaften nuklearer Abfallmaterialien. Der Schwerpunkt liegt auf Simulationsrechnungen an potentiellen keramischen Abfallformen, den lanthanidhaltigen Orthophosphaten und zirkoniumoxidbasierten Verbindungen mit Pyrochlorstruktur sowie in einem geringeren Umfang an Nukleargraphit. In diesem Zusammenhang wurden einige bisher nur wenig verstandene Phänomene untersucht, mit dem Ziel den Wissensstand und das Verständnis dieser Materialien hinsichtlich einer Anwendung im Bereich der nuklearen Entsorgung zu erweitern. Die untersuchten Prozesse beinhalten das Prozessverständnis der Strahlenbeständigkeit, der Elastizität, der Thermodynamik und der Wärmeübergangseigenschaften der Lanthanidphosphate (besonders der Monazite) und Pyrochlore. Darüber hinaus wurde besondere Aufmerksamkeit den Untersuchungen zum Actinideneinbau in die Struktur dieser Materialien geschenkt. Die Untersuchungen zum Nukleargraphit konzentrierten sich auf die Bereiche der Oberflächenchemie und der Radiokarbonmigration im Nukleargraphit. Mit Hilfe atomistischer Modellrechnungsmethoden wurden viele wichtige Informationen erhalten, die den Kenntnisstand über keramische Abfallformen und Nukleargraphit erheblich erweitern. Ich habe ausführlich die Prozesse in Monazit- und Xenotimkeramiken untersucht, die durch Strahlenschäden hervorgerufen werden, um die ausgeprägte Strahlenbeständigkeit dieser Materialien besser verstehen zu können. Es hat sich gezeigt, dass die Ausbildung von Defektstellen sowie die Möglichkeiten zur Rekombination in der Monazitstruktur und im TiO 2 -Rutil Ähnlichkeiten aufweisen. Besonders scheinen die Unterschiede der Materialdichte zwischen kristallinem Ausgangsmaterial und den amorphen Phasen ein wesentlicher Faktor für die hohe Strahlenbeständigkeit beider Materialien zu sein. Zusätzlich konnten wichtige Zusammenhänge zwischen den Schwellenwerten der Verschiebungsenergie eines Atoms und der Barriere für die Defektbildung abgeleitet werden. Es ist gelungen, aus der Simulation eines durch Strahlung induzierten Amorphisierungsprozesses sowohl thermodynamische Eigenschaften der amorphen Phase als auch die kritische Amorphisierungsdosis von Monaziten von ∼ 0.2 Verschiebungen pro Atom (dpa) abzuleiten. Darüber hinaus konnten wir mit Hilfe systematischer Berechnungen der Wärmekapazität, der Elastizität sowie der Wärmeübergangsprozesse einer Lanthanidphosphat-Reihe wichtige Erkenntnisse gewinnen. Diese Ergebnisse ermöglichen erstmalig die Unterschiede zwischen Monazit und Xenotim hinsichtlich der thermischen Leitfähigkeit zu erklären sowie Fehlordnungsphänomene in Pyrochlorkeramiken nachzuvollziehen. Die Simulationsrechnungnen zum strukturellen Actinideneinbau in die Lanthanidphosphat- und Pyrochlorkeramiken bilden den wichtigsten Teil der Arbeit. Die Ergebnisse tragen wesentlich zum Verständnis relevanter experimenteller Daten, des Mechanismus und der Energetik des strukturellen Actinideneinbaus in diese Materialien bei. Nicht zuletzt wurden Untersuchungen zur Oberflächenchemie von Nukleargraphit hinsichtlich der Wechselwirkung von H 2 O-Molekülen mit dem Material durchgeführt, die zu einem tieferen Verständnis der Hydrophilie von Nukleargraphit führten. Darüber hinaus konnte mit Hilfe von Simulationsrechnungen ein direkter Austausch von 14C entlang der Graphitebenen als energetisch bevorzugter Migrationsprozess in Graphit identifiziert werden. Alle erzielten Ergebnisse zeigen deutlich, dass die atomistische Modellrechnung komplementär zu experimentellen Untersuchungen einen wichtigen Beitrag zur Erforschung nuklearer Abfallmaterialien leistet.

The studies performed in the scope of this dissertation focus on the applications of atomistic simulations for computation of various properties of nuclear waste materials, with the main focus on potential ceramic waste forms such as lanthanide-orthophosphates and zirconiumoxide based pyrochlore-type compounds and some limited studies of nuclear graphite. Here I focus on a set of still poorly understood phenomena with the aim to increase our knowledge on and understanding of the performance of these materials in the context of nuclear waste disposal. The investigated processes include the understanding of radiation damage resistance, elastic, thermodynamics and heat transfer properties of lanthanide-phosphates, especially monazite-type, and pyrochlore-type ceramics. Additionally, special attention was paid to investigation of actinides incorporation into these materials. Some effort has been devoted also to investigation of surface chemistry and radiocarbon migration in nuclear graphite. Using accurate atomistic modeling methods we derived important information that substantially enhance knowledge on ceramic waste forms and nuclear graphite. I extensively investigated radiation damage processes in monazite- and xenotime-type ceramics trying to understand the enhanced radiation damage resistance of these materials. We found similarities in the defects formation and recombination capabilities of monazite and TiO2 rutile with strong indication of density difference between the crystalline solid and the amorphous phases being an important factor behind the enhanced radiation damage resistance of both materials. We also derived an important relationship between the threshold displacement energy and the barrier for defect formation. The simulations of radiation-induced amorphization process allowed for the derivation of the thermodynamical properties of the amorphous phase and the critical amorphization dose of monazite of ∼ 0.2 displacements per atom (dpa). We also systematically computed the heat capacity and the elastic and heat transfer properties of series of lanthanide-phosphates, filling up the existing knowledge gaps. This allowed for understanding the difference between the thermal conductivity of monazite and xenotime as well as tracing the disordering of pyrochlore-type ceramics. Most importantly, I simulated the incorporation of actinides into lanthanide-phosphates and pyrochlore ceramics. This helped to interpret and to understand the relevant experimental data and the mechanism and energetics of the structural incorporation of actinides into these materials. Last, but not least, we also performed investigation of the surface chemistry of nuclear graphite, namely the interaction of simple molecules such as H2O with this material, providing hints for understanding the hydrophilic behavior of nuclear graphite. The simulations of self-diffusion mechanisms of 14C in graphite allowed for the identification of the direct in-plane exchange as the most energetically favorable radiocarbon migration process. All the results demonstrate the importance of atomistic modeling as a fundamental and complementary to the experiment tool for the research on nuclear waste materials.

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