Mechanism and kinetics of the reaction between liquid sodium and nuclear fuel of future fast neutron reactors - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Mechanism and kinetics of the reaction between liquid sodium and nuclear fuel of future fast neutron reactors

Mécanisme et cinétique de la réaction entre le sodium liquide et le combustible nucléaire des futurs réacteurs à neutrons rapides

Résumé

In support of the internal storage feasibility of future sodium cooled fast reactors, the present research concerned the development of a theoretical model based on the physical mechanism of the reaction between oxide fuel and liquid sodium. Being the reaction between oxide fuel and liquid sodium a heterogeneous reaction, which involves solid-liquid phases, the model made use of the heterogeneous kinetic formalism. The required data for the proposition of a reaction mechanism were mainly extrapolated from experimental observations. The experiments confirmed that the reaction rate could be modelled trough the growth process only, since the nucleation process was instantaneous. In agreement with the literature, the reaction rate followed a parabolic law, indicating that the rate-determining step could be attributed to a diffusion step. Moreover, some new and significant experimental observations were achieved through the interaction between uranium oxide and liquid sodium. Indeed, interaction tests under well controlled condition highlighted the preferential stabilization of the corrosion product as a compound with pure pentavalent uranium atoms. For the first time, the outward growth of the corrosion layer was observed, implying uranium cations as main species controlling the growth process, which was never considered before. The formation of a double phase was observed when the tests were performed under imposed oxygen potential within a value close to the one expected in the internal storage. The formation of a double phase was never assessed before and opened the question on the possibility to form more than one phase even for the mixed oxide. The proposed reaction mechanism represented a first attempt of reaction modelling. Thereby the mechanism concerned a simplified condition, in which was considered only the superficial corrosion layer. Further improvements will be needed to take into account the contribution of the potential grain boundary attack for mixed oxide.
Pour assoir la faisabilité du stockage interne dans de futurs réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium, ce travail vise à développer un modèle théorique mécaniste de la réaction entre le combustible oxyde et le sodium liquide. Ce modèle utilise le formalisme de la cinétique hétérogène car elle implique une réaction entre un solide, le combustible oxyde, et un liquide, le sodium. Le modèle proposé s’appuie sur des mécanismes réactionnels qui ont été déduits de résultats expérimentaux. Ces résultats ont montréque la cinétique de réaction pouvait être modélisée avec l’étape de croissance uniquement, car l’étape de germination était instantanée. En accord avec les études précédentes, la cinétique de réaction mesurée suit une loi parabolique, ce qui permet d’identifier une étape de diffusion comme l’étape limitante de la réaction. En outre, des observations originales ont été mises en évidence lors de la réaction entre le dioxyde d’uranium et le sodium liquide. Les tests réalisés dans des conditions thermochimiques contrôlées ont montré que l’uranium avait un degré d’oxydation 5+ dans la couche de corrosion. Nous avons mis en évidence pour la première fois un mécanisme de croissance externe pour la couche de corrosion, ce qui implique que l’uranium soit l’espèce chimique qui contrôle l’étape de croissance. La formation d’une couche de corrosion biphasée a été observée dans des tests à potentiel oxygène imposé pour des valeurs de potentiels proches de celles attendues en stockage interne. L’existence d’une couche de corrosion biphasée n’avait jamais été envisagée précédemment et cela ouvre la question de son existence pour le combustible MOX. Le mécanisme de réaction proposé est une première tentative pour modéliser la réaction oxyde sodium. Il s’appuie sur des hypothèses simplificatrices où seule la couche de corrosion externe est prise en compte. Des améliorations seront nécessaires pour rendre compte de la contribution éventuelle de la corrosion des joints de grains.
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Dates et versions

tel-03537842 , version 1 (20-01-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03537842 , version 1

Citer

Concettina Andrello. Mechanism and kinetics of the reaction between liquid sodium and nuclear fuel of future fast neutron reactors. Other. Université de Lyon, 2020. English. ⟨NNT : 2020LYSEM027⟩. ⟨tel-03537842⟩
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