A study of point defects in UO2+x and their impact upon fuel properties

par Yue Ma

Thèse de doctorat en Sciences des Matériaux, Physique, Chimie et Nanosciences

Sous la direction de Jacques Lechelle et de Philippe Garcia.

Soutenue le 07-12-2017

à Aix-Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille) , en partenariat avec Laboratoire d'Etudes de PHysique (Cadarache) (laboratoire) .

Le président du jury était Henry Fischer.

Le jury était composé de Boris Dorado.

Les rapporteurs étaient Jean-Marc Heintz, Marie-France Barthe.

  • Titre traduit

    Etude des défauts ponctuels dans le dioxyde d'uranium hyper-stoechiométrique et leurs impacts sur les propriétés du combustible


  • Résumé

    Les propriétés d'autodiffusion de l’uranium sont essentielles pour la compréhension d’interaction pastille-gaine dans le réacteur. L'objectif de cette thèse est de déterminer les coefficients d'autodiffusion de l'uranium dans l’$UO_2$ hyper-stœchiométrique qui sont contrôlés, dans certaines conditions thermodynamiques, par les défauts ponctuels. Pour cet objectif, trois études différentes ont été réalisées. La première porte sur la compréhension des défauts d'oxygène et les différents réarrangements du réseau après oxydation. Pour cela, des échantillons d’$UO_2$ et d’$UO_{2+x}$ ont été caractérisés par une diffraction neutronique au sein du laboratoire ILL à Grenoble. Les résultats obtenus de l’analyse par la « Pair Distribution Function » montrent que les ions interstitiels ont tendance à être isolés aux faibles valeurs de x mais ils sont groupés aux valeurs plus élevées de x. La deuxième partie vise à étudier les défauts lacunaires d'uranium, prédominants dans les échantillons d’$UO_{2+x}$ recuits à haute température, qui influent directement sur l'autodiffusion de l'uranium. La méthode non destructive de « Spectroscopie d'annihilation de Positron », implémentée au laboratoire CEMHTI à Orléans, a été appliquée. Les résultats ont montré l'existence des lacunes d'uranium dans le matériau et leurs quantités peuvent être estimées en fonction de la mesure de durée de vie des positrons à l'aide d'un modèle de piégeage. La connaissance de la nature des défauts cationiques et anioniques et des équilibres de défauts aide à comprendre la corrélation entre les propriétés importantes du combustible (e.g, la diffusion, le fluage) et les conditions thermodynamiques (T, pO2).


  • Résumé

    Uranium self-diffusion properties are essential for the understanding of in-reactor pellet-cladding interaction. The aim of this thesis is to determined uranium self-diffusion coefficients in hyper-stoichiometric uranium dioxide under certain thermodynamic conditions, which indeed are governed by the induced point defects. For that purpose, three separate studies were carried out on virgin material. Firstly, to improve the knowledge of oxygen defects and the rearrangements occurring in the oxygen sub-lattice after oxidation, $UO_2$ and $UO_{2+x}$ samples were characterized by neutron diffraction in ILL Grenoble. The results obtained by a Pair Distribution Function analysis show that interstitial ions tend to be isolated at lower x but cluster at higher x. Secondly, to study the predominant uranium vacancy defects in high-temperature annealed $UO_{2+x}$, which directly influence the uranium self-diffusivity, a non-destructive method – Positron Annihilation Spectroscopy, available in CEMHTI, Orleans has been carried out. The results of Doppler broadening spectroscopy of annihilation of electron-positron pairs has proved the existence of uranium vacancies in the materials, and their concentration can be estimated based on the positron lifetime measurements using a trapping model. The knowledge of the nature relating to both cation and anion defects and defect equilibria are used to understand the correlation between important fuel properties (e.g. diffusion, creep) and thermodynamic conditions (i.e. temperature and oxygen partial pressure).


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