Etude et optimisation du combustible à structure composite MgAl2O4/UO2 : élaboration et comportement mécanique

= Study and optimisation of MgAl2O4/UO2 composite fuel material : processing and mechanical behavior

• Auteur / Autrice : Isabelle Viallard
• Direction : Gilbert Fantozzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMPPM - Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (Lyon, INSA1975-2007) - Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne1992?-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Irradiation

Uranium

Spinelles

Combustibles nucléaires

Résumé

Le concept de combustible composite constitué d'une matrice céramique de spinelle (MgAl2O4) au sein de laquelle sont dispersées des particules fissiles de dioxyde d'uranium (UO2) est une des voies envisagées dans le futur pour obtenir un combustible plus sûr et plus performant, susceptible d'atteindre un fort taux de combustion. En effet, la matrice inerte est censée jouer le rôle de barrière physique vis-à-vis du relâchement des produits de fission formés en cours d'irradiation en réacteur à eau sous pression (REP). L'objectif de l'étude présentée ici consiste à définir les propriétés structurelles optimales du combustible composite de manière à préserver l'intégrité de la matrice sous irradiation. Un modèle simplifié est développé pour prédire le comportement thermomécanique d'un tel composite sous irradiation en condition REP. Cette modélisation, avec l'appui de la bibliographie, permet de définir les caractéristiques microstructurales de composites les plus favorables en terme de comportement sous irradiation. Ces matériaux sont élaborés et leurs propriétés mécaniques mesurées. En particulier, des essais de résistance au gradient thermique ont été menés sur un dispositif spécifique. Il s'avère que les matériaux composites, à l'inverse du combustible standard, ont un comportement à la rupture non fragile et conservent leur intégrité après avoir subi une sollicitation thermomécanique comparable à celle engendrée lors du premier cycle d'irradiation en REP. Le matériau présentant le meilleur comportement est constitué de particules pré-fissurées présentant une interface cohésive avec la matrice.

The composite fuel material concept consisting of a spinel ceramic matrix (MgAl2O4) in which uranium dioxide fissile particles (UO2) are dispersed, is under consideration to perform a safer and more efficient fuel for the future, and is allowed to achieve higher burnups. Actually, the inert matrix stands for a barrier to the fission products recoil. The aim of this study consists in defining the optimal structural composite fuel properties in order to preserve the matrix integrity during irradiation. A model is designed to predict the thermomechanical composite behaviour in REP conditions. This model allows to define various composites with optimal features. These materials are manufactured and their mechanical properties are measured. Particularly, thermal gradient resistance tests are carried out on a specific device. It's turned out that the composite fuel materials, unlike the standard fuel, have a non-brittle mechanical behavior and preserve their integrity under thermomechanical stresses which are comparable to the stress intensity generated under the first operating cycle, in REP conditions. The best material includes microcracked particles which are strongly bonded to the matrix.