Uranium mononitride (UN) is a promising advanced nuclear fuel for Gen-IV fast-spectrum systems and small modular reactors due to its high uranium density and superior thermal conductivity compared to conventional oxide fuels. However, its behaviour under irradiation, particularly the coupled effects of fission product (FP) chemistry and radiation damage on thermophysical and mechanical properties, remains insufficiently understood.

This thesis presents an experimental investigation of the thermophysical, mechanical, and dimensional response of pure and doped UN within a separate-effects testing framework. Simulated burn-up fuels (SIMFUEL) were employed to study the role of chemical disorder, while ion irradiation and implantation were used to introduce controlled radiation damage and selected FP chemistry.

Chemical modification was achieved through powder mixing and arc-melting routes, enabling the incorporation of zirconium and thorium as solutes. Structural characterization confirmed the formation of solid solutions, and secondary phases as well as microstructural variations depending on processing route. Thermal diffusivity measurements revealed that chemical disorder leads to a systematic reduction in thermal transport, primarily attributed to enhanced phonon scattering resulting from mass and strain fluctuations in the lattice.

Irradiation effects were investigated using proton irradiation and ion implantation of selected FP (Zr, Ba, Kr, Xe). Defect formation, clustering, and irradiation-induced cracking were observed, with clear dependence on damage level and implanted species. Near-surface thermal diffusivity measurements demonstrated a degradation of heat transport with increasing irradiation dose. Mechanical characterization revealed irradiation-induced hardening, while microstructural observations showed crack initiation and propagation associated with defect accumulation and stress development.

In addition, a surface-based methodology was developed to quantify irradiation-induced dimensional changes at the microscale. Both swelling and shrinkage were observed, highlighting the complex relation between defect evolution and microstructural conditions.

The combined results establish clear relationships between chemical disorder, irradiation damage, and property degradation in UN. The findings demonstrate that both compositional modification and defect accumulation significantly influence thermal transport, mechanical response, and dimensional stability. 

This work provides new experimental insight into the behaviour of UN and contributes to the understanding required for its future application in advanced nuclear energy systems. The results motivate further studies combining chemistry and irradiation with in-reactor validation to fully capture fuel performance under realistic reactor conditions.

Uranmononitrid (UN) är ett lovande avancerat kärnbränsle för Gen-IV snabba reaktorsystem och små modulära reaktorer, tack vare sin höga urandensitet och sin överlägsna värmeledningsförmåga jämfört med konventionella oxidbränslen. Trots detta är materialets beteende under bestrålning, särskilt de kopplade effekterna av fissionsproduktskemi (FP) och strålskador på termofysiska och mekaniska egenskaper, fortfarande inte tillräckligt väl förstått.

I denna avhandling genomförs en experimentell studie av det termofysiska, mekaniska och dimensionsmässiga beteendet hos rent och dopat UN inom ett ramverk där separata effekter betraktas. Simulerat utbrända bränslen (SIMFUEL)-konceptet används för att undersöka effekten av kemisk oordning, medan jonbestrålning och jonimplantering används för att introducera kontrollerade strålskador samt utvalda fissionsproduktsurrogat.

Kemisk modifiering utfördes genom pulverblandning och ljusbågssmältning, vilket möjliggjorde införande av zirkonium och torium som lösningsämnen. Strukturell karakterisering bekräftade bildandet av fasta lösningar, förekomst av sekundära faser samt mikrostrukturella variationer beroende på tillverkningsmetod. Mätningar av termisk diffusivitet visade att kemisk oordning leder till en systematisk försämring av värmetransporten, vilket huvudsakligen tillskrivs ökad fononspridning orsakad av mass- och spänningsvariationer i kristallgittret.

Bestrålningseffekter undersöktes med protonbestrålning och jonimplantering av utvalda fissionsprodukter (Zr, Ba, Kr, Xe). Defektbildning, klustring och bestrålningsinducerad sprickbildning observerades, med tydligt beroende av skadenivå och jonart. Mätningar av termisk diffusivitet i provets ytlager visade en tydlig försämring av värmetransporten med ökande bestrålningsdos. Mekanisk karakterisering visade bestrålningsinducerad härdning, medan mikrostrukturella analyser visade sprickinitiering och sprickpropagering kopplad till defektackumulering och spänningsuppbyggnad.

Vidare utvecklades en ytbaserad metod för att kvantifiera bestrålningsinducerade dimensionsförändringar på mikroskala. Både svällning och krympning observerades, vilket belyser det komplexa sambandet mellan defektutveckling och mikrostruktur.

Resultaten visar tydliga samband mellan kemisk oordning, strålskador och degradering av materialegenskaper i UN. Arbetet visar att både sammansättningsförändringar och defektackumulering har en betydande inverkan på värmetransport, mekaniskt beteende och dimensionsstabilitet.

Denna avhandling bidrar med ny experimentell kunskap om beteendet hos UN och utgör ett underlag för dess framtida användning i avancerade kärnenergisystem. Resultaten motiverar vidare studier där kemisk modifiering och bestrålning kombineras med validering under reaktorförhållanden, för att fullt ut kunna beskriva bränslets prestanda under realistiska driftförhållanden.

Το μονονιτρίδιο του ουρανίου (UN) αποτελεί ένα πολλά υποσχόμενο προηγμένο πυρηνικό καύσιμο για αντιδραστήρες τέταρτης γενιάς (Gen-IV) ταχέος φάσματος και μικρούς αρθρωτούς αντιδραστήρες, λόγω της υψηλής πυκνότητας ουρανίου και της υψηλής θερμικής αγωγιμότητάς του σε σύγκριση με τα συμβατικά καύσιμα οξειδίων του ουρανίου. Ωστόσο, η συμπεριφορά του υπό ακτινοβόληση, και ιδιαίτερα οι συνδυασμένες επιδράσεις της χημείας των προϊόντων σχάσης (FP) καθώς και η βλάβη λόγω ακτινοβολίας στις θερμοφυσικές και μηχανικές ιδιότητες του καυσίμου αυτού, δεν έχουν ακόμη κατανοηθεί επαρκώς.

Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μια πειραματική μελέτη της θερμοφυσικής, μηχανικής και διαστασιακής απόκρισης του καθαρού και εμπλουτισμένου UN, στο πλαίσιο φαινομένων διαχωρισμού. Χρησιμοποιήθηκαν προσομοιωμένα καύσιμα (SIMFUEL) για τη μελέτη του ρόλου της χημικής αταξίας εντός του κρυσταλλικού πλέγματος του καυσίμου, ενώ η ιοντική ακτινοβόληση και εμφύτευση χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη ελεγχόμενης βλάβης από ακτινοβολία και επιλεγμένης χημείας των προϊόντων σχάσης.

Η χημική τροποποίηση επιτεύχθηκε μέσω μεθόδων ανάμειξης σκόνης και τήξης τόξου, επιτρέποντας την ενσωμάτωση ζιρκονίου και θορίου ως στοιχείων του διαλύματος. Ο δομικός χαρακτηρισμός επιβεβαίωσε τον σχηματισμό στερεών διαλυμάτων, την παρουσία δευτερογενών φάσεων, καθώς και μικροδομικές μεταβολές ανάλογα με τη μέθοδο επεξεργασίας. Οι μετρήσεις θερμικής διάχυσης έδειξαν ότι η χημική αταξία οδηγεί σε συστηματική μείωση της θερμικής μεταφοράς, η οποία αποδίδεται κυρίως σε ενισχυμένη σκέδαση φωτονίων λόγω διακυμάνσεων μάζας και παραμόρφωσης στο κρυσταλλικό πλέγμα του καυσίμου.

Τα αποτελέσματα της ακτινοβόλησης μελετήθηκαν μέσω ακτινοβόλησης με πρωτόνια και εμφύτευσης επιλεγμένων προϊόντων σχάσης (Zr, Ba, Kr, Xe). Παρατηρήθηκαν σχηματισμός και συσσωμάτωση ατελειών, καθώς και ρηγμάτωση επαγόμενη από ακτινοβόληση, με σαφή εξάρτηση από το επίπεδο βλάβης και το είδος των εμφυτευμένων ιόντων. Μετρήσεις θερμικής διάχυσης κοντά στην επιφάνεια του καυσίμου έδειξαν υποβάθμιση της θερμικής μεταφοράς με την αύξηση της δόσης ακτινοβόλησης. Ο μηχανικός χαρακτηρισμός έδειξε σκλήρυνση λόγω ακτινοβόλησης, ενώ μικροδομικές παρατηρήσεις καταδεικνύουν τη δημιουργία και διάδοση ρωγμών που σχετίζονται με τη συσσώρευση ατελειών και την ανάπτυξη τάσεων.

Επιπλέον, αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία βασισμένη στην μελέτη της επιφάνειας του κρυσταλλικού πλέγματος για την ποσοτικοποίηση σε μικροκλίμακα των διαστασιακών μεταβολών λόγω ακτινοβόλησης. Παρατηρήθηκαν τόσο διόγκωση όσο και συρρίκνωση, γεγονός που αναδεικνύει τη σύνθετη σχέση μεταξύ εξέλιξης των ατελειών και μικροδομικών συνθηκών.

Τα συνολικά αποτελέσματα καταδεικνύουν σαφείς συσχετίσεις μεταξύ χημικής αταξίας, βλάβης λόγω ακτινοβολίας και υποβάθμισης ιδιοτήτων στο UN. Τα ευρήματα δείχνουν ότι τόσο η μεταβολή της σύστασης όσο και η συσσώρευση ατελειών επηρεάζουν σημαντικά τη θερμική μεταφορά, τη μηχανική απόκριση και τη διαστασιακή σταθερότητα.

Η παρούσα εργασία προσφέρει νέα πειραματική γνώση σχετικά με τη συμπεριφορά του UN και συμβάλλει στην κατανόηση που απαιτείται για τη μελλοντική εφαρμογή του σε προηγμένα πυρηνικά ενεργειακά συστήματα. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν την ανάγκη για περαιτέρω μελέτες που θα συνδυάζουν τη χημεία και την ακτινοβόλησή του με επαλήθευση σε πραγματικές συνθήκες αντιδραστήρα, ώστε να περιγραφεί πλήρως η απόδοση του καυσίμου υπό ρεαλιστικές συνθήκες λειτουργίας.

Мононітрид урану (UN) є перспективним інноваційним паливом для швидких реакторів IV покоління та малих модульних реакторів завдяки високій густині та теплопровідності урану порівняно з традиційними оксидними паливами. Однак його поведінка при опроміненні, зокрема взаємопов'язаний вплив хімічних процесів продуктів поділу (FP) та радіаційних пошкоджень на термофізичні та механічні властивості, досі недостатньо вивчена.

У цій дисертації представлено експериментальне дослідження формостійкістi та термофізичних і механічних характеристик чистого та легованого UN у рамках підходу роздільного вивчення факторів (separate-effects testing). Для вивчення впливу хімічної невпорядкованості використовувалися зразки модельного палива з імітованим вигоранням (SIMFUEL). Iонне опромінення та імплантація застосовувалися для введення контрольованих радіаційних пошкоджень і обраних продуктів поділу.

Хімічна модифікація здійснювалася шляхом змішування порошків і дугового плавлення, що дозволило вводити цирконій і торій як легуючі елементи. Структурна характеристика підтвердила утворення твердих розчинів, наявність вторинних фаз і мікроструктурні відмінності залежно від способу обробки. Вимірювання термічної дифузії показали, що хімічна невпорядкованість призводить до систематичного зниження теплопереносу, що переважно пов’язано з посиленим розсіюванням фононів через масові та деформаційні флуктуації в кристалічній ґратці.

Вплив опромінення досліджувався за допомогою протонного опромінення та іонної імплантації вибраних FP  (Zr, Ba, Kr, Xe). Було виявлено утворення та агрегацію дефектів, а також  спровоковане опроміненням тріщиноутворення, що чітко залежить від рівня пошкодження та типу імплантованих іонів. Вимірювання термічної дифузії в приповерхневій області показали зниження теплопереносу зі збільшенням дози опромінення. Механічні випробування виявили радіаційне зміцнення, тоді як мікроструктурний аналіз показав зародження та поширення тріщин, пов’язаних із накопиченням дефектів і виникненням напружень.

Отримані результати встановлюють чіткі залежності між хімічною невпорядкованістю, радіаційними пошкодженнями та деградацією властивостей у UN. Показано, що як зміна хімічного складу, так і накопичення дефектів суттєво впливають на теплоперенос, механічну поведінку та формостійкість.

Ця робота надає нові експериментальні уявлення про поведінку UN і сприяє розумінню, необхідному для його майбутнього застосування в ядерних енергетичних системах. Отримані результати вказують на необхідність подальших досліджень, що поєднують вивчення хімічних процесів та опромінення з внутрішньореакторних валідацією для повного опису поведінки палива в реальних умовах експлуатації.