Etude de la rhéologie de pâtes céramiques pour la mise en forme de combustible nucléaire par extrusion

par Pierre-françois Mougard-Camacho

Projet de thèse en Mécanique numérique et Matériaux

Sous la direction de Rudy Valette et de Romain Castellani.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de SFA - Sciences Fondamentales et Appliquées , en partenariat avec Centre de mise en forme des matériaux (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) (laboratoire) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 15-01-2018 .


  • Résumé

    Ce sujet de thèse porte sur l'étude rhéologique et l'optimisation de la formulation d'une pâte céramique adaptée à la mise en forme par le procédé d'extrusion. Les combustibles nucléaires se présentent aujourd'hui sous forme de pastilles cylindriques fabriquées par pressage uniaxial. Ce procédé présente des avantages indéniables comme sa simplicité à être automatisé ou sa cadence de production, mais également deux inconvénients importants : ₋ des déformations au frittage (effet diabolo) dues au pressage uniaxial qui engendre des hétérogénéités de densités dans les pièces crues. Ces déformations limitent la hauteur des pastilles et accroissent le taux de rebut. ₋ l'utilisation de matières premières pulvérulentes difficiles à homogénéiser à sec avec finesse du fait de leur caractère cohésif. Ces deux inconvénients du procédé actuel sont d'autant plus indésirables qu'ils provoquent la dissémination de matière radioactive, rendant plus compliquées la radioprotection et la gestion de la matière nucléaire. Le recours à une mise en forme par une voie liquide ou pâteuse apparaît donc attrayant pour pallier ce problème. Ces voies ont également l'avantage de permettre un mélange plus homogène des différentes poudres que le mélange des poudres sèches dans la voie pressage actuelle. Les procédés de mise en forme basés sur ces voies sont nombreux et plus ou moins adaptés selon la complexité géométrique des pièces et les quantités à produire. Dans le cas des combustibles nucléaires et de leur traditionnelle forme cylindrique (pleine ou creuse), l'extrusion se révèle particulièrement adaptée puis qu'elle permet la fabrication continue d'une pièce de section constante. Il est donc très aisé de fabriquer des pastilles d'un diamètre donné et de longueur quelconque (ce qui permet d'envisager des pastilles ou des tronçons de combustibles avec un rapport longueur/diamètre inatteignable par pressage). Pour arriver à un résultat final industriel, il est toutefois nécessaire de maîtriser des paramètres primordiaux sur l'ensemble du procédé de fabrication, de la poudre initiale à la pastille frittée. L'objectif de cette thèse sera la mise au point d'une pâte céramique à base d'oxydes simulant les matières nucléaires, pouvant être mise en forme par extrusion et conduisant à des pièces frittées satisfaisantes.

  • Titre traduit

    Rheological study of ceramic pastes for the shaping of nuclear fuels by extrusion


  • Résumé

    This PhD aims to optimize a ceramic paste formulation that would be suitable for an extrusion shaping. Today's nuclear fuels are uniaxially pressed into pellets. This process is obviously simple and easily robotized, to produce large amount quickly. Though it also presents two major drawbacks: -deformations during the sintering (diabolo effect)due to the uniaxial pressing, which generates density heterogeneities in the raw pellets. Those deformations hinder the pellets height and increase the faulty specimens amount. -the use of pulverulent raw materials, hard to homogeneise with finess as powders due to their cohesiv nature. Moreover those drawbacks also lead to the dissemination of radioactive materials, hardening the radioprotection and the radioactive materials handling. A shaping from a liquid precursor or a paste is hence of interest to avoid those drawabacks. Moreover those techniques enable a better powder homogeneity during the mixing than the today's pressing on dry powders. Those processes are various and more or less adapted depending on the geometrical complexity of the specimens or the amounts to produce. For nuclear fuels, and their traditional cylindrical form (shaft or hollow), the extrusions is particularly interesting as it allows the continuous shaping of specimens with constant section. It is therefore easy to produce pellets with a constant diameter and of any height (which would enable the shaping of nuclear fuels with length/diameter ratio unachievable by pressing). In order to get to an industrial application, it is important to master primary parameters on the whole process, from the raw powders to the sintered specimens. This PhD aimes at engineer a ceramic paste with oxides simulating nuclear powders, uitable for extrusion shaping and leading to satisfying sintered samples.