Thèse Année : 2025

Influence of chromium doping of UO2 fuel on the speciation of fission products in accident conditions

Influence du dopage au chrome du combustible UO2 sur la spéciation des produits de fission en conditions accidentelles

Résumé

Within the framework of the development of “E-ATF” fuels (Enhanced Accident Tolerant Fuel), Cr-doped UO2 fuel is of interest in terms of its improved behavior during power ramps, due to a larger grain size compared to UO2 fuel. Nevertheless, the added chromium is likely to react with some fission products and form potentially volatile species that would not exist in an undoped UO2 fuel. So, speciation of fission products of Cr-doped UO2 fuel in accidental situation has to be assessed. Some studies have been performed on simulated Cr-doped UO2 fuels (SIMFUEL). First, the study of Cr-doped UO2 synthesis highlighted the influence of manufacturing parameters on the microstructure development and on the thermochemistry of chromium. The influence of the powder preparation method on grain growth has also been highlighted. It has been shown that the oxygen potential of the sintering atmosphere has a great influence on grain growth and on chromium speciation as secondary phases and on its solubility in UO2. Then, fission products surrogates were introduced inside Cr-doped UO2 samples, in order to study their speciation in accidental situations. A first batch of SIMFUEL has been synthesized by conventional sintering at 1700°C, allowing the introduction of eleven non volatile species at this temperature (Mo, Ru, Rh, Pd, Sr, Ba, Y, Zr, La, Ce and Nd). A second SIMFUEL batch was synthesized using SPS (Spark Plasma Sintering) at lower temperature, in order to introduce volatile species such as cesium and iodine. SEM and XAS analysis highlighted the presence of identical compounds to those identified in undoped SIMFUEL, and also new compounds induced by the addition of chromium. Chromite perovskite-type secondary phases bearing lanthanides (such as CeCrO3) and metallic precipitates forming alloys with Cr such as Mo-Pd-Rh-Cr have been identified. Thermal treatments under thermodynamic conditions representative of severe accident have notably highlighted the influence of chromium on the oxidation of metallic precipitates, and also the thermal decomposition of chromite precipitates bearing lanthanides (T<1700°C). These speciation changes induced by chromium addition may suggest possible modifications in terms of fission products volatilization in accidental situation.

Dans le cadre du développement des combustibles « E-ATF » (Enhanced Accident Tolerant Fuel), le combustible UO2 dopé au chrome, fait partie des solutions retenues du fait de son comportement amélioré en rampe de puissance, grâce à une taille de grains supérieure au combustible UO2. Néanmoins, le chrome ajouté est susceptible de réagir avec certains produits de fission et former des espèces possiblement volatiles qui ne pourraient pas exister dans un combustible UO2 non dopé. Ainsi, la spéciation des produits de fission en situation accidentelle du combustible UO2 dopé Cr doit être évaluée. Pour cela des études ont été réalisées sur des combustibles simulés (SIMFUEL) UO2 dopé Cr. Dans un premier temps, l’étude de la synthèse du combustible UO2 dopé au chrome a permis de mettre en évidence l’influence des paramètres de fabrication sur le développement de la microstructure du matériau ainsi que sur la thermochimie du chrome. L’influence de la méthode de préparation des poudres sur la croissance granulaire a notamment été mise en évidence. Il a également été montré que le potentiel d’oxygène de l’atmosphère de frittage a une grande influence sur la croissance granulaire ainsi que sur la spéciation du chrome en phase secondaire et sur sa solubilité dans UO2. Des produits de fission ont été introduits par frittage dans des échantillons d’UO2 dopé Cr, afin d’étudier leur spéciation en conditions accidentelles. Un premier lot de SIMFUEL a été synthétisé par frittage conventionnel à 1700°C, permettant l’introduction de onze espèces non volatiles à cette température (Mo, Ru, Rh, Pd, Sr, Ba, Y, Zr, La, Ce et Nd). Un deuxième lot de SIMFUEL a été synthétisé par frittage SPS (Spark Plasma Sintering) à plus basse température, afin d’introduire des espèces volatiles telles que le césium et l’iode. De multiples caractérisations au MEB et par XAS ont mis en évidence la présence de composés identiques à ceux identifiés dans des SIMFUEL UO2 non dopé mais également des composés nouveaux induits par l’ajout de chrome. Des phases chromite type pérovskite incorporant des lanthanides (CeCrO3 par exemple) et des précipités métalliques formant des alliages avec du Cr comme Mo-Pd-Rh-Cr ont notamment été identifiés. Des traitements thermiques en conditions thermodynamiques représentatives du début d’un accident grave ont mis en évidence un effet du chrome sur l’oxydation des précipités métalliques, ainsi qu’une décomposition en température (T<1700°C) des précipités chromite contenant des lanthanides. Ces modifications dans la spéciation de certains produits de fission induites par l’ajout de chrome suggèrent de possibles changements en termes de volatilité de ces produits de fission en situation accidentelle.

Domaines

Fichier principal
Vignette du fichier
TH2025DEAZEVEDOANTONIN.pdf (26.03 Mo) Télécharger le fichier
Origine Version validée par le jury (STAR)
Licence

Dates et versions

tel-05445945 , version 1 (07-01-2026)

Licence

Identifiants

  • HAL Id : tel-05445945 , version 1

Citer

Antonin de Azevedo. Influence du dopage au chrome du combustible UO2 sur la spéciation des produits de fission en conditions accidentelles. Matériaux. Université Claude Bernard - Lyon I, 2025. Français. ⟨NNT : 2025LYO10214⟩. ⟨tel-05445945⟩
242 Consultations
61 Téléchargements

Partager

  • More