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Theses Year : 2020

Reactivity of UO2 single crystals during dissolution processes in nitric media.

Etude de la réactivité d'échantillons monocristallins de UO2 vis-à-vis des processus de dissolution en milieu nitrique.

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Abstract

The dissolution in concentrated nitric acid constitutes the head-end step of the reprocessing of the spent nuclear fuel (SNF). After their stay in the nuclear reactor, SNF develop high heterogeneities in terms of chemical composition, elementary distribution and microstructure, which lead to significant changes in SNF dissolution rates. Currently, the impact of the material properties on the dissolution is not well established and considered in the available macroscopic models. In this context, the dissolution of UO2 single crystals with defined (100), (110) or (111) oriented surfaces, presenting simple geometry and microstructure was studied.The multi scale observation of UO2 single crystals during dissolution in nitric acid media at room temperature, allowed the improvement of our understanding regarding to the role of the oriented surface on the dissolution mechanism developed at the solid/liquid interface. First, at the macroscopic scale, two consecutive dissolution regimes (non-catalysed then catalysed) were highlighted regardless of the oriented surface. The oriented surface as well as the microstructural defects, such as roughness, had a slight impact on the dissolution rates for both dissolution regimes. However, the development of cracks spreading occurring during the non-catalysed step reduced its duration. Moreover, at the microscopic scale, followed via the Scanning Electron Microscopy (SEM), the development of balance topographies characteristic of each oriented surface was evidenced. The resulting topographies were mainly composed of (110) oriented surfaces. Finally, at the nanoscopic scale, structural defects were underlined and were responsible for the formation of triangular etch pits on the (111) oriented surface. Thus, their development controlled the dissolution kinetic of this oriented surface during the non-catalysed step.
La dissolution des combustibles nucléaires en milieu nitrique constitue la première étape visant à leur retraitement. Après plusieurs années passées en réacteur, ces matériaux céramiques présentent de fortes hétérogénéités en termes de composition chimique, de distribution élémentaire et de microstructure. Ces propriétés engendrent des variations importantes de vitesses de dissolution. Actuellement, l’impact des nombreuses propriétés liées au solide sur la dissolution n’est pas pris en compte par les modèles macroscopiques existants. C’est notamment le cas de l’orientation cristalline. Dans ce contexte, la dissolution de monocristaux de UO2 d’orientations (100), (110) et (111), présentant une géométrie et une microstructure simples a été étudiée.L’étude, à plusieurs échelles d’observation, de la dissolution des monocristaux de UO2, en milieu nitrique et à température ambiante, a permis d’améliorer la compréhension du rôle de la surface du solide sur les mécanismes de dissolution siégeant à l’interface solide/solution. A l’échelle macroscopique, deux régimes cinétiques successifs (non-catalysé puis catalysé) ont été observés quelle que soit l’orientation cristalline initiale considérée. Cette dernière ainsi que les défauts topographiques, tels que la rugosité, influencent peu les vitesses de dissolution des deux régimes cinétiques. Cependant, le développement de fissures au cours du premier régime en diminue la durée et accélère le passage au régime catalysé. Par la suite, l’étude à l’échelle microscopique, via l’imagerie électronique à balayage (MEB), a révélé le développement de topographies d’équilibre caractéristiques de chaque orientation. Ces topographies présentent majoritairement des surfaces d’orientation (110). Finalement, l’échelle nanoscopique a permis d’identifier que les défauts structuraux étaient à l’origine de la formation des premiers puits de corrosion triangulaires pour la surface orientation (111). Ainsi, leur développement contrôle la cinétique de dissolution de cette surface orientée au cours du régime non-catalysé.
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Cite

Solene Bertolotto. Etude de la réactivité d'échantillons monocristallins de UO2 vis-à-vis des processus de dissolution en milieu nitrique.. Autre. Université Montpellier, 2020. Français. ⟨NNT : 2020MONTS092⟩. ⟨tel-03329690⟩
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