Physique du relâchement des gaz de fission du combustible UO2 irradié lors d'un transitoire thermique incidentel - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Fission gas release physics from irradiated UO2 fuel during an incidental thermal transient

Physique du relâchement des gaz de fission du combustible UO2 irradié lors d'un transitoire thermique incidentel

Résumé

This PhD work focuses on understanding the mechanisms by which fission gases are released from irradiated nuclear fuel when it is subjected to a temperature excursion. Heat treatments in the MERARG experimental furnace show that fission gases are released in at least three successive bursts at different temperatures. Analysis of the kinetics of these burst releases suggests a gas reservoir associated with each of the bursts, the opening mechanisms of which may vary. Correlation with modelling work carried out at the DEC/SESC favours a scenario of decohesion of the grain boundaries of the nuclear ceramic: possible fragmentation would explain the sudden nature of the release. In the course of this PhD, we tested the validity of this grain boundary decohesion mechanism over the entire thermal sequence simulating the incident conditions. Based on the phenomenological analysis of burst release, we propose a simplified model to describe gas release within the fuel sample during an isothermal plateau as the flow of an overpressurised gas reservoir through a porous medium towards the free surfaces. This model, known as the drain flow model, reproduces the decreasing release kinetics observed during an isothermal plateau in heat treatment. It also allows us to evaluate physical quantities characteristic of the flow, such as the pressure of the gas reservoir associated with each burst, the volume available for the release of fission gases and a characterisation of the permeability of the fuel as a function of temperature. We then compare the proposed modelling with experimental heat treatment data in order to test its validity and derive physical information that may shed light on the mechanisms behind the release of each burst. In conclusion, we demonstrate that the kinetics of the third burst (B3) are consistent with the model's hypotheses and that the grain boundary decohesion mechanism is appropriate for interpreting its relaxation. The first burst (B1) also adopts a kinetic behaviour close to that described by the model, which allows this burst to be interpreted as the release of partially open porosity prior to heat treatment. Finally, we show that the second burst B2 adopts a very different kinetic behaviour to the other two bursts, which cannot be described by the model. The results of heat treatments dedicated to understanding the mechanism behind the relaxation of the second burst suggest a mechanism other than that of grain boundary decohesion and would involve a so-called meltable phase at the grain boundaries. This thesis provides a new perspective on the analysis of fission gas release by successive bursts during thermal transients. While most of the release can be interpreted as consistent with a scenario of decohesion of the grain boundaries of the fuel sample, another significant proportion of the fission gases is released via another mechanism, hypothetically of thermochemical origin.
Ce travail de thèse porte sur la compréhension des mécanismes de relâchement des gaz de fission par le combustible nucléaire irradié, lorsqu'il est soumis à une excursion en température. Les traitements thermiques dans le four expérimental MERARG mettent en évidence un relâchement des gaz de fission par au moins trois bouffées successives à différentes températures. L'analyse de la cinétique de ces relâchements par bouffées suggère une logique de réservoir de gaz associé à chaque des bouffées et dont les mécanismes d'ouverture peuvent varier. La corrélation avec des travaux de modélisation menés au DEC/SESC favorisent un scenario de décohésion des joints de grains de la céramique nucléaire : la fragmentation éventuelle expliquerait le caractère soudain du relâchement. Au cours de cette thèse, nous avons testé la validité de ce mécanisme de décohésion des joints de grain sur l'ensemble de la séquence thermique simulant les conditions incidentelles. S'appuyant sur l'analyse phénoménologique du relâchement par bouffée, nous proposons un modèle simplifié permettant la description du relâchement des gaz au sein de l'échantillon combustible pendant un palier isotherme comme l'écoulement d'un réservoir de gaz surpressurisé à travers un milieu poreux vers les surfaces libres. Ce modèle baptisé modèle d'écoulement vidange, permet de reproduire la cinétique décroissante du relâchement observé au cours d'un palier isotherme en traitement thermique. Il nous permet également d'évaluer des grandeurs physiques caractéristiques de l'écoulement à l'instar de la pression du réservoir de gaz associé à chaque bouffée, le volume disponible pour le relâchement des gaz de fission ainsi qu'une caractérisation de la perméabilité du combustible en fonction de la température. Par la suite, nous confrontons la modélisation proposée avec les données expérimentales des traitements thermiques afin d'en tester la validité et d'en tirer des informations physiques susceptibles d'éclairer les mécanismes à l'origine du relâchement de chaque bouffée. En conclusion, nous démontrons que la troisième bouffée (B3) s'appréhende bien avec une cinétique cohérente avec les hypothèses du modèle et que le mécanisme de décohésion des joints de grain sied à interpréter son relâchement. La première bouffée (B1) adopte également un comportement cinétique proche de celui décrit par le modèle, qui permet d'interpréter cette bouffée comme le relâchement de porosité partiellement ouverte avant le traitement thermique. Finalement nous démontrons que B2 adopte un comportement cinétique bien différent des deux autres bouffées, que le modèle ne permet pas de décrire. Les résultats de traitements thermiques dédiés à la compréhension du mécanisme à l'origine du relâchement de la deuxième bouffée suggèrent un autre mécanisme que celui de la décohésion des joints de grain et impliquerait une phase dite fusible aux joints de grain. Ce travail de thèse apporte un nouveau regard sur l'analyse des relâchements de gaz de fission par bouffée successive en transitoire thermique. Si une majorité du relâchement peut s'interpréter en cohérence avec un scénario de décohésion des joints de grain de l'échantillon combustible, une autre partie significative des gaz de fission relâche via un autre mécanisme, hypothétiquement d'origine thermochimique.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

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Identifiants

  • HAL Id : tel-04427995 , version 1

Citer

Jimmy Losfeld. Physique du relâchement des gaz de fission du combustible UO2 irradié lors d'un transitoire thermique incidentel. Physique Nucléaire Expérimentale [nucl-ex]. Université Paris-Saclay, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UPAST128⟩. ⟨tel-04427995⟩
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