Des systèmes simplifiés aux combustibles modèles : étude in situ du frittage d'oxydes d'actinides et de lanthanides

par Victor Trillaud

Projet de thèse en Chimie Séparative, Matériaux et Procédés

Sous la direction de Nicolas Clavier et de Renaud Podor.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques Balard , en partenariat avec ICSM - Institut de Chimie Séparative de Marcoule (laboratoire) depuis le 17-10-2016 .


  • Résumé

    Résumé du projet de thèse : Le frittage constitue une étape cruciale dans la fabrication des combustibles nucléaires UOx et MOx, pour lesquels une étape de calcination à haute température permet, après mise en forme de la poudre, de densifier les pastilles mais également de fixer la stœchiométrie de l'oxyde et d'assurer son homogénéité. Afin d'enrichir les modèles destinés à anticiper la microstructure finale des matériaux frittés, des liens entre approches expérimentales et numériques ont récemment été tissés, à travers l'observation in situ par Microscopie Electronique à Balayage Environnementale à Haute Température (HT-MEBE) du frittage de microsphères d'oxyde de cérium. Dans la continuité de ce travail, le sujet de thèse vise à se rapprocher des composés réels mis en œuvre lors de la fabrication du combustible nucléaire à travers trois axes : - l'étude du frittage de microsphères de UO2, incluant la prise en compte de l'effet de la pression partielle en oxygène sur les cinétiques de densification ; - l'appréhension de systèmes mixtes de microsphères UO2-CeO2, destinés à quantifier le retard à la densification engendré par l'hétérogénéité des différents composés étudiés ; - l'étude de pastilles, pour lesquelles le frittage sera suivi par le biais d'une approche couplée faisant intervenir les observations par microscopie et des mesures dilatométriques. Ce travail de thèse s'inscrit dans les actions communes menées au sein du Laboratoire des Interfaces de Matériaux en Evolution (LIME) et du Laboratoire de Microscopies Electroniques et Environnementales (L2ME) de l'ICSM concernant l'étude in situ des phénomènes de frittage. L'approche expérimentale développée dans le cadre de ce travail de thèse sera par ailleurs complétée et nourrie d'un dialogue avec les équipes du CEA en charge de la modélisation des phénomènes de densification (DMRC/SFMA). Le travail de thèse constitue ainsi une approche transverse et pluridisciplinaire d'un procédé déterminant dans la fabrication de combustibles nucléaires. Etat d'avancement des travaux : Les expériences réalisées au cours de la première année de thèse concernent la mise au point d'un protocole de synthèse reproductible de microsphères d'UO2, puis l'observation de leur comportement en température par microscopie électronique environnementale, que ce soit à balayage ou en transmission. Les premiers résultats obtenus sont en cours de traitement et devraient permettre de déboucher rapidement sur de premières valeurs caractéristiques, telles que l'énergie d'activation associée à la première étape du frittage d'UO2 sous différentes atmosphères. En parallèle à ce travail expérimental, un rapport bibliographique est en cours de rédaction, et portera principalement sur les données relatives au frittage de UO2, tant au niveau de l'influence de la pO2 que de la détermination des coefficients de diffusion. Objectifs à réaliser dans l'année à venir : La rédaction d'un rapport bibliographique pour formaliser l'étude réalisée est prévue d'ici la fin de la première année. L'optimisation de l'étape de synthèse ainsi que la caractérisation exhaustive des composés préparés sont également prévues pour permettre l'obtention de trois familles de microsphères (de diamètres 250, 500 et 800 nm), permettant ainsi d'étudier l'impact de la taille des sphères sur le premier stade du frittage. Il sera en outre nécessaire de poursuivre les expériences en MEBE-HT pour finaliser l'étude sur le frittage de sphères de dioxyde d'uranium en fonction de plusieurs paramètres expérimentaux tels que la température ou la pression partielle en oxygène. Dans un second temps, des essais sur des amas de billes et des pastilles sont prévus de manière à confronter les mécanismes et cinétiques de frittage mises en évidence aux échelles micro- et macroscopiques. Par la suite, une étude sur des composés mixtes (UO2/CeO2, …) sera réalisée pour comprendre l'impact de cette variation de composition sur les mécanismes et cinétiques. Valorisation des travaux : La rédaction de deux publications portant sur la synthèse des microsphères de UO2, d'une part, et sur les expériences de MET-HT, d'autre part, est envisagée au cours du premier semestre 2018. Il est en outre prévu de valoriser les travaux par l'intermédiaire de deux présentations orales : une au cours des journées de la division du solide de la Société Chimique de France (Montpellier, novembre 2017) et une seconde au cours des premières Journées francophones de chimie sous rayonnement et de radiochimie (Strasbourg, juin 2018).

  • Titre traduit

    From simplified systems to model fuels : in situ study of the sintering of actinides and lanthanides oxides


  • Résumé

    Sintering is known to be a crucial step in the elaboration process of both UOx and MOx nuclear fuels. It consists in the shaping of the powder, followed by a heat treatment at high temperature that ensures the densification of the pellet and allows to monitor oxygen stoichiometry and cationic homogeneity within the solid. In order to improve the models aiming to anticipate the final microstructure of the fuels prepared, links have been made recently between experimental and numerical approaches through the High-Temperature Environmental Scanning Electron Microscopy (HT-ESEM) study of the sintering of cerium oxide microspheres. The aim of this PhD work is now to investigate model compounds that get closer to the real systems involved during the fabrication of nuclear fuel, through three main axis : - study of UO2 microspheres, including the effect of pO2 on the sintering kinetics; - investigation of UO2-CeO2 mixed microspheres, that will allow to quantify the delay in the densification correlated to the heterogeneities of the various systems considered; - study of bulk pellets, through a coupled approach based on HT-ESEM observations and dilatometric measurements. This PhD work will be undertaken within the collaboration running on between the Laboratory of Evolving Interfaces in Materials (LIME) and the Laboratory of Environmental Study of Materials (L2ME) at ICSM. The experimental work developed in the study will be complemented by a continuous dialogue with the CEA group in charge of modeling (DMRC/SFMA). This PhD could then be considered as a transverse and multidisciplinary approach of a key-step in the fabrication of the nuclear fuel.