Atomic scale structural modifications in irradiated nuclear fuels

par Cyprian Mieszczynski

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Eric Simoni.

Soutenue le 11-04-2014

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Modélisation et Instrumentation en Physique, Energie, Géosciences et Environnement (Orsay, Essonne ; 2010-2015) , en partenariat avec Laboratoire des matériaux nucléaires (Villigen, Suisse) (laboratoire) .

Le président du jury était Frederico Garrido.

Le jury était composé de Eric Simoni, Frederico Garrido, Nicolas Dacheux, Jean-Louis Hazemann, Goutam Kuri, Philippe Martin, Claude A. Degueldre, Christine Delafoy.

Les rapporteurs étaient Nicolas Dacheux, Jean-Louis Hazemann.

mots clés

• Combustible d’oxydes mixtes
• Combustibles nucléaires
• Chromium dopant
• Dioxyde d’uranium
• EXAFS (Absorption de Rayons X Etendu aux Structures Fines)
• Paramètre de maille
• Polygonisation de grain
• Radiation synchrotron
• Tension de réseau cristallographique
• XRD (Diffraction de Rayons X)
• Combustibles nucléaires irradiés
• Spectrométrie EXAFS
• Rayons X -- Diffraction

Titre traduit

Modifications structurales à l’échelle atomique dans les combustibles nucléaires irradiés

Résumé

Cette thèse présente une analyse approfondie et comparative des résultats de mesures µ-XRD et µ-XAS sur des combustibles UO2 standard, dopé au sesquioxyde de chrome (Cr2O3) et MOX, irradiés ou non. Elle présente également l'interprétation des résultats en regard des effets induits par le chrome en tant que dopant ainsi que par la présence de plusieurs produits de fission. Les paramètres de maille de l’UO2 et les paramètres de densité d'énergie de déformation élastique dans les matériaux irradiés ou non ont été mesurés et quantifiés. Les données de µ-XRD ont en outre permis l'évaluation de la taille des domaines cristallins, ainsi que l’étude de la formation de sous-grains à différentes positions au sein des pastilles de combustibles irradiés. Le paramètre de maille et l'environnement atomique local du chrome dans des précipités d’oxyde de chrome présents dans les pastilles de combustible non-irradié ont également été déterminés. La structure locale du Cr dans la matrice du combustible dopé et l'influence de l'irradiation sur l'état du chrome dans la matrice de combustible ont été étudiées. Enfin, pour une comparaison du comportement des gaz de fission et du phénomène de re-solution induite par l'irradiation dans l’UO2 standard ou dopé, la dernière partie de ce travail propose une tentative d'analyse de l’environnement atomique du Kr dans ces deux combustibles irradiés. Le travail effectué par micro-faisceau XAS sur ce gaz de fission a permis la détermination des distances du Kr avec ses proches voisins, une estimation des densités atomiques des gaz de fission dans les agrégats et des pressions internes apparentes dans ces nano-phases de gaz inertes.

mots clés

• Mixed-oxide fuel
• Nuclear fuels
• Dopant chrome
• Uranium dioxide
• EXAFS (Extended X-Ray Absorption Fine Structure)
• Lattice parameter
• Grain polygonization
• Synchrotron radiation
• Lattice strain
• XRD (X-Ray Diffraction)

Résumé

This thesis work reports in depth analyses of measured µ-XRD and µ-XAS data from standard UO2, chromia (Cr2O3) doped UO2 and MOX fuels, and interpretation of the results considering the role of chromium as a dopant as well as several fission product elements. The lattice parameters of UO2 in fresh and irradiated samples and elastic strain energy densities in the irradiated UO2 samples have been measured and quantified. The µ-XRD patterns have further allowed the evaluation of the crystalline domain size and sub-grain formation at different locations of the irradiated fuel pellets. Attempts have been made to determine lattice parameter and next neighbor atomic environment in chromia-precipitates found in fresh chromia-doped fuel pellets. The local structure around Cr in as-fabricated chromia-doped UO2 matrix and the influence of irradiation on the state of chromium in irradiated fuel matrix have been addressed. Finally, for a comparative understanding of fission gases behavior and irradiation induced re-solution phenomenon in standard and chromia-doped UO2, the last part of the present work tries to clarify the fission gas Kr atomic environment in these irradiated fuels. The work performed on Kr, by micro-beam XAS, comprises the determination of Kr next neighbor distances, an estimation of gas atom densities in the aggregates, and apparent internal pressures in the gas bubbles.