Rev. Phys. Appl. (Paris) 19, 719-722 (1984)
DOI: 10.1051/rphysap:01984001909071900

Investigation of oxygen disorder, thermal parameters, lattice vibrations and elastic constants of UO2 and ThO2 at temperatures up to 2 930 K

K. Clausen¹, W. Hayes¹, M. T. Hutchings², J.E. Macdonald¹, R. Osborn¹ et P. Schnabel<sup>1

1</sup>  Clarendon Laboratory, Parks Road, Oxford, OX1 3PU, U.K.
²  Materials Physics Division, AERE Harwell, Didcot, Oxon, OX11 0RA, U.K.

Abstract
A knowledge of the thermodynamic properties of UO2 at temperatures in the region 1 500-3 100 K is of importance in reactor safety calculations, yet there are relatively few detailed experimental data available. In particular the major question of whether Frenkel disorder occurs in UO2 at high temperatures has been unanswered until now. A new high temperature furnace has been purchased by Harwell for work at temperatures in this region, and a series of experiments has been carried out involving diffraction, quasielastic diffuse and inelastic neutron scattering from single crystals of UO2 and ThO2. These have been backed by experiments in the lower temperature range to 2 500 K at I.L.L. Details of the Harwell furnace, and methods used for temperature measurement and encapsulation of the crystal samples are given, together with some examples of the principal results. These results show unambiguously, for the first time, that oxygen Frenkel disorder does occur in UO2 above 2 000 K.

Résumé
La connaissance des propriétés thermodynamiques de UO2 dans le domaine 1 500-3 100 K est d'une grande importance pour les calculs de sécurité nucléaire. Cependant, on ne dispose que de peu de résultats expérimentaux. En particulier, l'importante question de l'apparition du désordre de Frenkel à haute température n'avait pas encore été résolue. Les laboratoires de Harwell ont acquis un nouveau four pour cette gamme de températures ; de nombreuses expériences ont été effectuées, en particulier diffraction, diffusion quasiélastique et diffusion inélastique des neutrons par des monocristaux de UO2 et ThO 2. Celles-ci ont été complétées par des expériences réalisées à l'ILL dans la gamme de températures allant jusqu'à 2 500 K. Des détails du four et les méthodes de mesure de température et de montage des cristaux sont présentés ainsi que les principaux résultats. Pour la première fois, on montre que le désordre de type Frenkel apparaît dans UO2 au-dessus de 2 000 K.

PACS
0720D - Thermometry.
0720K - High temperature techniques and instrumentation: pyrometry.
6112 - Neutron determination of structures.
6160 - Crystal structure of specific inorganic compounds.
6170B - Interstitials and vacancies.
6220D - Elasticity, elastic constants.
6320D - Phonon states and bands, normal modes, and phonon dispersion.

Key words
crystal atomic structure of inorganic compounds -- encapsulation -- Frenkel defects -- high temperature techniques -- lattice phonons -- neutron diffraction crystallography -- neutron diffraction examination of materials -- thorium compounds -- uranium compounds -- O disorder -- neutron diffraction -- quasielastic diffuse scattering -- thermal parameters -- lattice vibrations -- elastic constants -- UO sub 2 -- ThO sub 2 -- thermodynamic properties -- Frenkel disorder -- high temperatures -- high temperature furnace -- inelastic neutron scattering -- single crystals -- temperature measurement -- encapsulation