Thermodynamic analysis of chemical interactions of the Zr-Cr-O and U-Cr-O systems at high temperatures for the evaluation of ATF (Accident Tolerant Fuel) under accidental conditions
Approche thermodynamique des interactions chimiques dans les systèmes Zr-Cr-O et U-Cr-O à hautes températures pour l'évaluation des combustibles ATF (Accident Tolerant Fuel) en conditions accidentelles
Résumé
The development of Accident Tolerant Fuel (ATF) materials is one way to improve the safety of light water reactors. Cr-coated zirconium alloy (M5) and UO2 fuel doped with Cr2O3 chromium oxide are among the most promising short-term solutions. This thesis aimed to perform an experimental study of the phase relations, of thermodynamic properties of the Zr-Cr-O and U-Cr-O ternary systems, and on this experimental basis, to develop thermodynamic modeling of these systems which could help to assess the behavior of these new concepts, in particular at a high temperature which prevail in severe accident conditions.For the Zr-Cr binary system, experiments were firstly devoted to determine with accuracy the invariant transformation (eutectics and eutectoid); the ZrCr2 Laves phase was carefully investigated. The enthalpy of formation of this phase was measured by drop solution calorimetry. The specific heat capacity was measured in a wide temperature interval (1.8K to 1063K). A CALPHAD modeling of the system taking into account the obtained experimental data and DFT simulations was performed.For the Zr-Cr-O ternary system, the isothermal sections at 1473K and 1773K were obtained. A method to prepare Zr3Cr3O samples with high purity was developed. The crystal structure, enthalpy of formation and specific heat capacity of Zr3Cr3O were measured. A CALPHAD assessment was made by combining these new results and the modeling of Zr-O and Cr-O systems already present in the NUCLEA database.A CALPHAD modeling of the U-Cr binary system was realized with our new measurements and published data in the literature. Some preliminary results were obtained for the U-Cr-O ternary system at 1273K. UCrO4 samples were prepared with high purity and its heat capacity at low temperatures was measured as well as its Néel temperature.All these results would benefit the thermodynamic NUCLEA database of IRSN developed for severe accident applications.
Le développement de matériaux combustibles tolérants aux accidents (ATF) est un moyen d'améliorer la sûreté des réacteurs à eau légère. L'alliage de zirconium recouvert de Cr (M5) et le combustible UO2 dopé à l'oxyde de chrome Cr2O3 figurent parmi les solutions à court terme les plus prometteuses. L'objectif de cette thèse était de réaliser une étude expérimentale des relations de phase, des propriétés thermodynamiques des systèmes ternaires Zr-Cr-O et U-Cr-O, et sur cette base expérimentale, de développer une modélisation thermodynamique de ces systèmes qui pourrait aider à évaluer le comportement de ces nouveaux concepts, en particulier à haute températures, conditions qui prévalent en situation d'accidents graves.Pour le système binaire Zr-Cr, les expériences ont d'abord été consacrées à la détermination précise des transformations invariantes (eutectiques et eutectoïde) ; la phase ZrCr2 Laves a été soigneusement étudiée. L'enthalpie de formation de cette phase a été mesurée par calorimétrie de dissolution. Sa capacité thermique spécifique a été mesurée sur un large intervalle de température (1.8K à 1063K). Une modélisation CALPHAD du système prenant en compte les données expérimentales obtenues et des simulations DFT a été réalisée.Pour le système ternaire Zr-Cr-O, les sections isothermes à 1473K et 1773K ont été obtenues. Une méthode de préparation d'échantillons de Zr3Cr3O de haute pureté a été développée. La structure cristalline, l'enthalpie de formation et la capacité thermique spécifique de Zr3Cr3O ont été déterminées. Une modélisation CALPHAD a été faite en combinant ces nouveaux résultats et les modélisations des systèmes Zr-O et Cr-O déjà disponibles dans la base de données NUCLEA.Une modélisation CALPHAD du système binaire U-Cr a été réalisée avec nos nouvelles mesures et les données publiées dans la littérature. Des résultats préliminaires ont été obtenus pour le système ternaire U-Cr-O à 1273K. Des échantillons d'UCrO4 ont été préparés avec une grande pureté et leur capacité thermique à basse température a été mesurée ainsi que leur température de Néel.Tous ces résultats bénéficieront à la base de données thermodynamiques NUCLEA de l'IRSN développée pour les applications liées aux accidents graves.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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