Elaboration de combustible à base d'oxydes d'uranium et d'américium : modélisation thermodynamique et propriétés des matériaux

Discipline

Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Classification

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

déchets, valorisation (déchets), thermodynamique, frittage, combustible nucléaire

Mots-clés

Combustibles - Thèses et écrits académiques,

Thermodynamique - Thèses et écrits académiques,

Frittage (métallurgie) - Thèses et écrits académiques,

Procédés de fabrication - Thèses et écrits académiques,

Américium - Thèses et écrits académiques,

Uranium -- Composés - Thèses et écrits académiques

L'exploitation des réacteurs à eau pressurisée génère des produits de fission et d'actinides mineurs (Np, Am, Cm) qui sont potentiellement recyclables par leur transmutation en réacteurs à neutrons rapides. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse a été d'étudier les conditions de fabrication de nouveaux combustibles de type U1-yAmyO2±x dont les spécificités thermodynamiques requièrent un contrôle précis du potentiel d'oxygène lors du frittage. Une première étape vers cette maîtrise du procédé a été réalisée en développant un modèle thermodynamique permettant de déterminer les conditions optimales de frittage et à partir duquel des matériaux U1-yAmyO2±x (y=0,10; 0,15; 0,20; 0,30) ont été élaborés. En conditions surstoechiométriques à basse température, les composés sont multiphasés et poreux alors que dans le cas des conditions réductrices à haute température, les matériaux obtenus sont monophasés de structure fluorine et denses. Les analyses de XAFS ont permis d'apporter des points expérimentaux supplémentaires pour l'ajustement du modèle thermodynamique et ont également mis en évidence la réduction totale d'Am(+IV) en Am(+III). Celle-ci s'accompagne de l'oxydation partielle d'U(+IV) en U(+V) qui résulte d'un mécanisme de compensation de charge. Enfin, compte tenu de l'activité α élevée de l'Am, l'effet de l'auto-irradiation a été étudié pour deux types de microstructure et deux teneurs en Am (10 et 15%). Pour chaque composition, on observe une expansion du paramètre de maille sans changement de phase combinée à un gonflement macroscopique du diamètre des pastilles pouvant atteindre 1,2% dans le cas des composés denses et 0,6% pour les matériaux à porosité contrôlée.