Etude et mise au point d’un procédé de fabrication additive pour l’élaboration de combustibles nucléaires innovants

Discipline

Matériaux céramiques et traitements de surface

Classification

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Microextrusion, Céramique, Métaux, Cermet

Mots-clés

Combustibles nucléaires,

Matériaux céramiques

Après l’accident nucléaire de Fukushima-Daiichi en mars 2011, une R&D pour l’amélioration du comportement des combustibles lors des situations accidentelles de refroidissement (dénommés « ATF » pour Accident Tolerant Fuels) a été relancée. Une des voies d’étude porte sur l’amélioration des propriétés thermiques. Du fait de la faible conductivité thermique de l’UO2, un important gradient de température radial s’établit au sein du combustible. Cette haute température à cœur réduit la marge à fusion et de fait le délai de grâce pour une intervention. L’ajout d’une phase plus conductrice sous la forme d’inserts possédant des géométries précises et optimisées permettrait, selon les modélisations, une nette augmentation de la conductivité thermique globale du combustible. Du fait de la géométrie complexe des inserts, la fabrication additive est la solution envisagée pour l’élaboration de ces pastilles composites CERMET. La technologie de fabrication additive retenue est la micro-extrusion, pour sa simplicité de mise en œuvre dans un contexte nucléaire et la possibilité d’imprimer simultanément plusieurs matériaux. Pour initier cette étude sur ces CERMET, l’alumine a été choisie comme matériau simulant technologique de l’UO2, et le molybdène comme phase conductrice. Les nombreux paramètres procédé concernant les formulations des pâtes, les paramètres d’impression et les traitements thermiques participant à la fabrication de pastilles CERMET ont été étudiés. Notamment pour rendre les pâtes extrudables par l’imprimante 3D, les formulations ont été optimisées du point de vue rhéologique permettant le respect de la géométrie fidèle au modèle CAO et un fonctionnement compatible à l’extrusion alternée des deux formulations. Les paramètres machine comme le diamètre des buses ou le débit d’extrusion ont été adaptés aux pièces à imprimer permettant d’obtenir des impressions de bonne qualité. Cependant, après déliantage puis frittage, le retrait différentiel des deux composants (alumine et molybdène) du fait d’un taux de charge et d’une cinétique de retrait différents entraine l’apparition de décohésion. Pour résoudre cette difficulté, la formulation de la phase métallique a été revue. Des formulations dites « hybrides », mélanges de diverses proportions d’alumine et de molybdène, ont apporté une nette amélioration de la cohésion du CERMET. Les propriétés thermiques de ces CERMET ont pu été évaluées selon deux méthodes de type laser flash. L’ensemble des travaux ont permis la démonstration de la faisabilité de l’impression des CERMET de structure interne complexe mais a aussi permis la mise en évidence des difficultés d’optimisation des très nombreux paramètres d’un procédé innovant du fait des nombreuses étapes de la formulation des pâtes aux différents traitements thermiques.