Owing to its high uranium density and good thermophysical properties,

uranium nitride (UN) fuel has been considered as a potential Accident Tolerant

Fuel (ATF) candidate for use in Light Water Reactors (LWRs). However,

the main disadvantage of UN is its low oxidation resistance in water/steam

containing atmospheres at the operating temperatures of LWRs.

The main objective of this thesis is to investigate a concept of engineered

microstructure composites as means of improving the response of UN to waterside

corrosion. The methodology for incorporating the corrosion resistant

additives in the form of metals, nitrides and oxides into the UN matrix has

been developed and tested. The additives were proposed to produce coated

(no interaction with UN) or doped (incorporation of the additive into the

UN bulk) grains, which will be able to shield the UN from the oxidising environment

and slow down the oxygen diffusion through the bulk. The UN

composite pellets containing the selected additives were sintered using the

Spark Plasma Sintering (SPS) technique. The resulting microstructures of

the composite pellets were well characterised prior to subjecting some of the

engineered microstructure representative samples to oxidation testing in air

and steam containing environments.

The obtained results indicate that the response to air and steam oxidation

of the composite samples differs from that of pure UN. Moreover, a delay in

the oxidation onset was observed for the composite samples UN-20CrN^premix

and UN-20ZrN^premix in steam and for UN-20CrN^premix pellet in air. The

improved response to oxidation was accompanied by the formation of the

ternary oxides, an observation that could be applied to the screening process

of the additive candidates for waterproofing of UN.

På grund av dess höga urandensitet och goda termofysiska egenskaper

har urannitrid (UN) ansetts vara ett potentiellt Accident Tolerant Fuel (ATF)

kandidat för användning i lättvattenreaktorer (LWR). Dock, den största nackdelen

med UN är dess låga oxidationsbeständighet i vatten/ånga-innehållande

atmosfärer vid driftstemperaturer för LWR.

Huvudsyftet med denna avhandling är att undersöka ett koncept för konstruerade

mikrostrukturkompositer som ett sätt att förbättra urannitridens

korrosionstolerans på vattensidan. Metodik för att införliva korrosionsbeständiga

tillsatser i form av metaller, nitrider och oxider i UN-matrisen har utvecklats

och testats. Tillsatserna föreslogs för att skapa en effekt av belagda

(ingen interaktion med UN) eller dopade (inkorporering av tillsatsen i

UN-matrisen) korn, som kommer att kunna skydda UN från den oxiderande

miljön eller bromsa syrediffusionen genom matrisen. UN kompositkutsar

innehållande de utvalda tillsatser har sintrats med tekniken Spark Plasma

Sintering (SPS). De resulterande mikrostrukturerna hos kompositkutsarna

karakteriserades väl innan några av de mikrostrukturrepresentativa proverna

utsattes för oxidationstestning i luft- och ångainnehållande miljöer.

De erhållna resultaten indikerar att svaret på luft- och ångaoxidation av

de sammansatta proverna skiljer sig från det för UN. Dessutom observerades

fördröjningen i oxidationsstarten för kompositproverna UN-20CrN^{förblandning}

och UN-20ZrN^{förblandning}  i  ånga och för UN-20CrN^föblandning kutsar i luft.

Det förbättrade svaret på oxidation åtföljdes av bildningen av ternära oxider,

en observation som kunde tillämpas på screeningsprocessen av tillsatskandidaterna

för vattentätning av UN.