|
|
Design of nuclear ceramic materials with enhanced thermal conductivity
Roleček, Jakub ; Katovský, Karel (oponent) ; Salamon, David (vedoucí práce)
Uranium dioxide (UO2) is the most common fuel material used in commercial nuclear reactors. The main disadvantage of UO2 is its low thermal conductivity, and large amount of heat generated during the fission in nuclear reactor creates a large temperature gradient in the UO2 fuel pellet. This temperature gradient induces large thermal stress, which leads to fuel pellet cracking. These cracks help to the release of fission product gases after high burnup. The formation of cracks and increase fission gas generation leads to a considerable reduction of fuel pellet durability. This thesis deals with the issue of increasing the thermal conductivity of the UO2 nuclear fuel on model material (CeO2). In this work are studied similarities of the CeO2 and UO2 behavior during conventional sintering and spark plasma sintering. The concept of thermal conductivity enhancement deal with incorporation of high thermal conductivity material – silicon carbide (SiC) into the CeO2 pellets. Silicon carbide is expected to increase the heat flow out of the fuel pellet, and thus increasing the CeO2 thermal conductivity. Similarities of SiC behavior in the CeO2 matrix and SiC behavior in the UO2 matrix reported in literature are also discussed in this work.
|
|
|
Study of the synthesis and processing conditions on the structure and properties of (Ba,Ca)(Ti,Zr)O3 lead-free ceramics
Bijalwan, Vijay ; Liedermann, Karel (oponent) ; Olhero,, Susana Maria Henriques (oponent) ; Button, Timothy William (vedoucí práce)
The lead free piezoelectric ceramic is a current topic of interest to replace lead based ceramics due to the demand of environmental protection and health concerns. Different materials have been discovered so far, including (K, Na) NbO3 (KNN), (Bi, Na) TiO3 (BNT), (Bi, Na) TiO3 – BaTiO3 (BNT-BT) etc. However, their piezoelectric properties are not fully comparable to the lead based ceramics (e.g. Lead zirconate titanate ((Pb Zr)TiO3). To match the high functional properties of Pb-based materials, a new material system, (1-x)Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3 or (Ba, Ca) (Zr, Ti) O3 ((1-x)BZT-xBCT or BCZT) was recently found, which possess very high piezoelectric and dielectric properties. The drawback of this composition is its very high sintering temperature (1520°C) in order to achieve high piezoelectric properties (e.g. Piezoelectric constant d33 > 600 pC/N). In this work, based on BCZT system, ceramics with high functional properties were fabricated by addition/substitution of CeO2 while reducing its sintering temperature to 1350°C. The CeO2 addition (y = 0.07 wt.%) to (Ba0.85Ca0.15) (Zr0.1Ti0.9) O3 ceramic reduced its sintering temperature drastically and high densification was achieved at 1350°C, together with increased Curie Temperature, TC ~ 105°C, and controlled grain size ~ 10 - 13 m. The phase transition from rhombohedral to tetragonal (R-T) was identified between y = 0 - 0.1 wt.% by the X ray diffraction (XRD) which in line with the Raman spectra analysis. A detailed study of microstructural and structural characteristics is shown with its correlation to the dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties. Best functional properties were observed for BCZT - y wt.% CeO2 ceramics where y=0.07 wt.%, in which piezoelectric constant d33 = 507±20pC/N, planar coupling coefficient kp = 51.8 %, dielectric permittivity r = 4091±100, tangent loss tan = 0.02, remenant polarization Pr = 13.58C/cm2, coercive field EC = 2.13kV/cm and normalized strain d33* or Smax/Emax = 840pm/V. The two step sintering (TSS) technique demonstrated a homogeneous grain growth and high density (~ 99% of theoretical density). (Ba0.85Ca0.15-y Cey) (Zr0.1Ti0.9) O3 (BCCeZT) lead free piezoelectric ceramics were also prepared where CeO2 was used as a substitution at A-site of BCZT’s lattice system. The shifting of XRD peaks towards higher angles suggests cell contraction and we speculate occupation of Ce ions at A site. It is found that ~ (10 - 12) m grain size is critical for the processing of high performance lead free BCCeZT ceramics. The best properties were obtained for y;Ce = 0.00135 sintered at 1350°C/4h having as d33 = 501±10 pC/N, kp = 38.5±1.92 %, Pr = 12.19 C/cm2, TC = 108.1 °C and strain (S) of 0.14 %. To investigate further the effects of A-site substitution, (Ba1-x-y Cax Cey) (Zr0.1 Ti0.9) O3 ceramics (x:Ca = 0.05, 0.10, 0.15, 0.20 and y;Ce = 0.00135) were fabricated. Again, when grain size was ~ 13um, high piezoelectric properties (d33 = 457pC/N) for x;Ca = 0.15 were observed when sintered at 1425 °C, while when grain size > 16 microns, d33 reduced below 200 pC/N. the XRD analysis shows the phase transition from orthorhombic to tetragonal as x;Ca content increases.
|
|
|
3D tomografie tenkovstvých katalyzátorů pomocí technik FIB/SEM
Dinhová, Thu Ngan ; Matolínová, Iva (vedoucí práce) ; Khalakhan, Ivan (oponent)
Mezi aktuální problémy naší společnosti patří ubývající zdroje fosilních paliv. Jsou to nerostné suroviny, jejichž pálením získáváme energii. Vzhledem k tomu, že je energie v dnešní době nepostradatelná, je potřeba nalézt alternativní způsob získávání energie. Možné řešení se objevuje v podobě palivových článků, který funguje na principu přeměny chemické energie na energii elektrickou. V tuto chvíli stále probíhá vývoj palivových článků. V této práci se zabýváme studiem morfologie katalytických vrstev Pt/CeO2 deponovaných na polymerní membráně pro vodíkové palivové články. Metodou tomografie pomocí techniky fokusovaného iontového svazku (FIB) vytváříme trojrozměrné modely jejich povrchových struktur. 1
|
|
|
Study of the synthesis and processing conditions on the structure and properties of (Ba,Ca)(Ti,Zr)O3 lead-free ceramics
Bijalwan, Vijay ; Liedermann, Karel (oponent) ; Olhero,, Susana Maria Henriques (oponent) ; Button, Timothy William (vedoucí práce)
The lead free piezoelectric ceramic is a current topic of interest to replace lead based ceramics due to the demand of environmental protection and health concerns. Different materials have been discovered so far, including (K, Na) NbO3 (KNN), (Bi, Na) TiO3 (BNT), (Bi, Na) TiO3 – BaTiO3 (BNT-BT) etc. However, their piezoelectric properties are not fully comparable to the lead based ceramics (e.g. Lead zirconate titanate ((Pb Zr)TiO3). To match the high functional properties of Pb-based materials, a new material system, (1-x)Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-x(Ba0.7Ca0.3)TiO3 or (Ba, Ca) (Zr, Ti) O3 ((1-x)BZT-xBCT or BCZT) was recently found, which possess very high piezoelectric and dielectric properties. The drawback of this composition is its very high sintering temperature (1520°C) in order to achieve high piezoelectric properties (e.g. Piezoelectric constant d33 > 600 pC/N). In this work, based on BCZT system, ceramics with high functional properties were fabricated by addition/substitution of CeO2 while reducing its sintering temperature to 1350°C. The CeO2 addition (y = 0.07 wt.%) to (Ba0.85Ca0.15) (Zr0.1Ti0.9) O3 ceramic reduced its sintering temperature drastically and high densification was achieved at 1350°C, together with increased Curie Temperature, TC ~ 105°C, and controlled grain size ~ 10 - 13 m. The phase transition from rhombohedral to tetragonal (R-T) was identified between y = 0 - 0.1 wt.% by the X ray diffraction (XRD) which in line with the Raman spectra analysis. A detailed study of microstructural and structural characteristics is shown with its correlation to the dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties. Best functional properties were observed for BCZT - y wt.% CeO2 ceramics where y=0.07 wt.%, in which piezoelectric constant d33 = 507±20pC/N, planar coupling coefficient kp = 51.8 %, dielectric permittivity r = 4091±100, tangent loss tan = 0.02, remenant polarization Pr = 13.58C/cm2, coercive field EC = 2.13kV/cm and normalized strain d33* or Smax/Emax = 840pm/V. The two step sintering (TSS) technique demonstrated a homogeneous grain growth and high density (~ 99% of theoretical density). (Ba0.85Ca0.15-y Cey) (Zr0.1Ti0.9) O3 (BCCeZT) lead free piezoelectric ceramics were also prepared where CeO2 was used as a substitution at A-site of BCZT’s lattice system. The shifting of XRD peaks towards higher angles suggests cell contraction and we speculate occupation of Ce ions at A site. It is found that ~ (10 - 12) m grain size is critical for the processing of high performance lead free BCCeZT ceramics. The best properties were obtained for y;Ce = 0.00135 sintered at 1350°C/4h having as d33 = 501±10 pC/N, kp = 38.5±1.92 %, Pr = 12.19 C/cm2, TC = 108.1 °C and strain (S) of 0.14 %. To investigate further the effects of A-site substitution, (Ba1-x-y Cax Cey) (Zr0.1 Ti0.9) O3 ceramics (x:Ca = 0.05, 0.10, 0.15, 0.20 and y;Ce = 0.00135) were fabricated. Again, when grain size was ~ 13um, high piezoelectric properties (d33 = 457pC/N) for x;Ca = 0.15 were observed when sintered at 1425 °C, while when grain size > 16 microns, d33 reduced below 200 pC/N. the XRD analysis shows the phase transition from orthorhombic to tetragonal as x;Ca content increases.
|
|
|
Study of cerium oxide-metal interaction with gases - carbon monoxide oxidation and methanol decomposition
Kolářová, Tatiana ; Nehasil, Václav (vedoucí práce) ; Čech, Vladimír (oponent) ; Jirka, Ivan (oponent)
Název práce: Studium interakce systémů oxid ceru-kov s plyny - oxidace oxidu uhelnatého a dekompozice metanolu Autor: Tatiana Kolářová Katedra/Ústav: Katedra fyziky povrchů a plazmatu Vedoucí disertační práce: Doc. RNDr. Václav Nehasil, Dr., Katedra fyziky povrchů a plazmatu Abstrakt: Dizertačná práca je venovaná štúdiu dvoch typov katalytických systémov na báze oxid céru-kov. Systémy boli charakterizované rôznymi metódami analýzy povrchov. Prvá časť sa zaoberá vplyvom parametrov prípravy na charakter zlatých nanočastíc deponovaných z roztoku na naprašovanú vrstvu oxidu céru. Katalytická aktivita pripravených systémov Au/CeOx/(C)/Si, obsahujúcich častice s priemernou veľkosťou 4-10 nm, bola testovaná pri CO oxidácii za atmosférického tlaku. Výsledky ukazujú, že so zvyšujúcim sa množstvom zlata na povrchu vzoriek zaznamenávame počas reakcií rastúcu produkciu CO2. Práca sa ďalej zaoberá prípravou inverzného modelového systému CeOx/Pt(111). Na tomto systéme bola sledovaná adsorpcia metanolu za nízkych teplôt a jeho rozklad pri následnom ohreve. Z prezentovaných výsledkov je zrejmé, že rozklad metanolu na inverzných systémoch CeOx/Pt(111) prebieha odlišným spôsobom ako v prípade čistej platiny a hrubej vrstvy CeO2/Pt(111). Vplyv na priebeh rozkladu metanolu a prítomnosť konkrétnych fragmentov má stupeň oxidácie...
|
|
|
Elektronické a adsorpční vlastnosti modelových katalyzátorů s obsahem céru
Cabala, Miloš ; Veltruská, Kateřina (vedoucí práce) ; Jiříček, Petr (oponent) ; Polčík, Martin (oponent)
Název práce: Elektronické a adsorpční vlastnosti modelových katalyzátorů s obsahem céru Autor: Miloš Cabala Katedra: Katedra fyziky povrchů a plazmatu Vedoucí práce: RNDr. Kateřina Veltruská, CSc., Katedra fyziky povrchů a plazmatu Abstrakt: Disertační práce je věnována studiu modelových katalyzátorů na bázi céru a céroxidu. Postupně se zabývá modelovými systémy CeAg, CeO2/Cu(111), Ni- CeO2/Cu(111) a Ni-Sn-CeO2/Cu(111). Ke studiu interakcí v těchto systémech byly použity metody fotoelektronové spektroskopie a další doplňkové metody rozptylu iontů a difrakce elektronů s nízkou energií. Modelové systémy byly připravovány za přísně definovaných podmínek. Vrstvy CeAg vykazují silnou bimetalickou interakci. V průběhu adsorbčního experimentu byla na CeAg prokázána molekulární adsorpce oxidu uhelnatého, a taktéž se ukazuje, že tyto vrstvy intenzívně reagují s kyslíkem. Z měření v jednotlivých směrech povrchové Brillouinovy zóny se nám podařilo zrekonstruovat pásovou strukturu připravené vrstvy CeO2/Cu(111). Ukázali jsme, že v námi připravené vrstvě Cu slabě interaguje s CeO2. Tato interakce má za následek přesun povrchového náboje z Cu do CeO2. Celkově jsme ve valenčním spektru určili tři hlavní pásy odpovídající hladině 2p kyslíku vázaného v CeO2. Na modelovém systému Ni-CeO2/Cu(111) byla po depozici Ni...
|
|
|
Fyzikálně-chemické vlastnosti epitaxních vrstev CeOx/Cu(111)
Duchoň, Tomáš ; Veltruská, Kateřina (vedoucí práce) ; Polčík, Martin (oponent)
V průběhu této práce byl napařováním kovového ceru a expozicí kyslíkem studován reverzibilní přechod mezi CeO2/Cu(111) a Ce2O3/Cu(111). K charak- terizaci připravených vrstev bylo použito metod XPS, ISS (a její úhlově rozlišené modifikace), LEED a XPD v kombinaci s počítačovým modelováním pomocí kó- du EDAC. V rámci zkoumaného přechodu byly identifikovány čtyři rekonstrukce - ( √ 7× √ 7)R19.1◦ , ( √ 3× √ 3)R30◦ , 3×3 a 4×4 - pro něž byly navrženy struktur- ní modely. Připravené vrstvy Ce2O3/Cu(111) vykazující rekonstrukci 4 × 4 byly kombinací všech použitých metod identifikovány jako kubická fáze Ce2O3. Stu- dium chemického stavu vrstev pomocí fotoelektronové spektroskopie odhalilo, že redukce vrstev postupuje od povrchu a oxidace probíhá difuzí kyslíku do objemu.
|
|
|
Design of nuclear ceramic materials with enhanced thermal conductivity
Roleček, Jakub ; Katovský, Karel (oponent) ; Salamon, David (vedoucí práce)
Uranium dioxide (UO2) is the most common fuel material used in commercial nuclear reactors. The main disadvantage of UO2 is its low thermal conductivity, and large amount of heat generated during the fission in nuclear reactor creates a large temperature gradient in the UO2 fuel pellet. This temperature gradient induces large thermal stress, which leads to fuel pellet cracking. These cracks help to the release of fission product gases after high burnup. The formation of cracks and increase fission gas generation leads to a considerable reduction of fuel pellet durability. This thesis deals with the issue of increasing the thermal conductivity of the UO2 nuclear fuel on model material (CeO2). In this work are studied similarities of the CeO2 and UO2 behavior during conventional sintering and spark plasma sintering. The concept of thermal conductivity enhancement deal with incorporation of high thermal conductivity material – silicon carbide (SiC) into the CeO2 pellets. Silicon carbide is expected to increase the heat flow out of the fuel pellet, and thus increasing the CeO2 thermal conductivity. Similarities of SiC behavior in the CeO2 matrix and SiC behavior in the UO2 matrix reported in literature are also discussed in this work.
|
host ::
RSS.