Synthèse des carbures d’U-Pu : influence des précurseurs et mécanismes réactionnels de la carbothermie de systèmes lanthanides et actinides

par Alan Handschuh

Thèse de doctorat en Molécules et Matière condensée

Sous la direction de Francis Abraham.


  • Résumé

    Dans le cadre des réacteurs de génération IV, et plus particulièrement pour les réacteurs à neutrons rapides à caloporteur gaz (RNR-G) ou sodium (RNR-Na), les combustibles carbures mixtes d’uranium et de plutonium (U,Pu)C1+x sont envisagés du fait de leurs bonnes propriétés thermiques (conductivité thermique et température de fusion) et de leur densité en atomes lourds élevée. La réduction carbothermique d’oxydes simples d’uranium, UO2, et de plutonium, PuO2, sous vide primaire ou sous argon selon la réaction UO2 + PuO2 + (3+x)C —Vide primaire/Argon→ (U,Pu)C1+x + 2CO est la voie de référence pour la synthèse de ces carbures mixtes.Afin de répondre au jalon fixé en 2012 sur la faisabilité de fabrication des carbures, l’étude du mécanisme de carbothermie est une des voies de R&D, pour (i) mieux comprendre la formation des différentes phases carbures (monocarbure MC, sesquicarbure M2C3 (avec M = (U,Pu)) et dicarbure UC2), (ii) limiter la volatilisation d’espèces plutonifères.Le présent mémoire décrit (i) une méthode qualitative, basée majoritairement sur des analyses DRX, appliquée à la résolution du mécanisme de carbothermie d’oxydes co-broyés à base de lanthanides (CeO2 et Nd2O3) et (ii) une méthode quantitative, basée sur la résolution des équations de conservation de la matière, pour déterminer le mécanisme détaillé de la synthèse de carbures mixtes (AnC – An2C3) par réduction carbothermique d’oxydes co-broyés (UO2 et PuO2). De plus, afin de limiter la volatilisation du plutonium lors de la carbothermie, l’utilisation d’oxydes mixtes (U,Pu)O2 obtenus par co-précipitation oxalique a été envisagée. Par ailleurs, des précurseurs ont été synthétisés par un procédé similaire de la co-précipitation oxalique pour (i) simplifier la synthèse des carbures mixtes et (ii) améliorer l’homogénéité des poudres de carbone et d’oxydes mixtes dans le but d’augmenter la cinétique et/ou de diminuer la température de la carbothermie.

  • Titre traduit

    Synthesis of U-Pu carbides : influence of precursors and mechanisms of the carbothermic reduction of lanthanides and actinides systems


  • Résumé

    As part of Generation IV programs, and particularly for the Gas Fast Reactor (GFR) and the Sodium Fast Reactor (SFR), the uranium-plutonium mixed carbide (U,Pu)C1+x is considered as a fuel candidate due to its good thermal properties (especially thermal conductivity end melting point) and its high metal atom density. The carbothermic reduction of a mixture of uranium oxide, UO2, and plutonium oxide, PuO2, under vacuum or under argon by the reaction UO2 + PuO2 + (3+x)C —vacuum/argon→ (U,Pu)C1+x + 2CO is the usual process for the synthesis of this mixed carbide. However, in order to meet new specifications needed for future irradiation tests, the study of the mechanisms of the carbothermic reduction is required. Particularly, (i) a better understanding of the formation of carbide phases (monocarbide MC, sesquicarbide M2C3 with M = (U,Pu) and dicarbide UC2 (only observed for carbothermic reduction of UO2)) has to be achieved and (ii) the volatilisation of plutonium species has to be minimized. The present document describes (i) a qualitative method, based mainly on XRD analyses, to determine the mechanism of mixed carbides (Ln2C3 – LnC2) formation by carbothermic reduction of co-milling oxides (CeO2 and Nd2O3 used as surrogates of actinides oxides) and (ii) a quantitative method based on the resolution of conservation of mass equations to determine the detailed mechanisms of mixed carbides (AnC – An2C3) synthesis by carbothermic reduction of co-milling oxides (UO2 and PuO2). Then, to reduce the volatilisation of plutonium during carbothermic step, the use of mixed oxide (U,Pu)O2 obtained by oxalic co-precipitation was foreseen. Furthermore, some new precursors, synthesized by oxalic co-precipitation process, were considered to (i) simplify the synthesis of mixed carbides and (ii) increase the homogeneity of carbon and oxide powder (U,Pu)O2 with the goal of boosting the kinetic and/or reducing the temperature of carbothermic reduction.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (296 p.)
  • Notes : Thèse confidentielle jusqu'au 15 octobre 2015
  • Annexes : Bibliogr. p. 291-296

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 50376-2010-453
  • Bibliothèque : Université des sciences et technologies de Lille. Service commun de la documentation. Bibliothèque virtuelle.
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