Caractérisation des matériaux nucléaires

Emmanuelle Brackx
CEA Marcoule

Les matériaux nucléaires se présentent sous plusieurs morphologies et spéciations : à l’état de solide divisé avec différents oxydes ou fluorures d’uranium pour la fabrication du combustible et pour son retraitement ; à l’état de solide, sous formes céramiques (oxydes ou carbures), telle que les pastilles de combustible conditionnées dans des gaines, ou encore inséré dans des matrices vitreuses pour le conditionnement des déchets.
En fonction de la génération de réacteur nucléaire, différents systèmes combustible / gaine peuvent être envisagés avec des assemblages constitués d’éléments lourds et d’éléments légers tels que : (UO₂/Zircaloy), (UO₂, PuO₂ /Zircaloy), ((U,Pu)C, SiC/SiC), ((UO₂), SiC/SiC).
L’optimisation du comportement des matériaux en service ou en situation accidentelle à des fins de durée de vie et sureté et sécurité du réacteur repose sur des études et infrastructures d’essais en lien avec les conditions d’exploitation et également sur des études de scénarios d’accident grave pouvant mener à la fonte du combustible à 2000 °C avec la gaine et les éléments de structure du réacteur (barre de contrôle B4C, cuve de refroidissement en acier, enceinte du réacteur en béton).
Dans ce dernier thème, le matériau multi phasé à diverses échelles spatiales obtenu en simulant une fusion de cœur est appelé corium. Il fait l’objet de nombreuses études notamment pour alimenter en données de base les codes de simulation de comportement du réacteur en termes de conception et sureté en service, ainsi que pour guider les opérations de démantèlement.
Ces études de comportement exigent la connaissance de la composition élémentaire et de la spéciation des matériaux testés. Cela permet d’optimiser la qualité de fabrication ainsi que de prévoir le comportement physicochimique des matériaux au cours de leur durée de vie en conditions nominales ou accidentelles. Ces connaissances sont permises par les moyens de caractérisation élémentaires et structuraux par MEB/EDS/STEM/EBSD, microsonde de Castaing WDS et de diffraction des rayons X et neutrons.
Cet exposé présente les développements analytiques et les techniques adaptées à ces matériaux notamment pour le dosage quantitatif des éléments légers dans des matrices lourdes, l’identification de phases multi échelles, la quantification élémentaire sur poudres ainsi que la prise en compte du comportement de ces matériaux lors des phases de préparation.
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