Influence de la taille, de la morphologie et de la distribution spatiale des pores sur la conductivité thermique de céramiques UO2

Résumé

Dans un réacteur nucléaire, le comportement des combustibles est piloté par des phénomènes thermiques. C'est pourquoi il est important de modéliser précisément leur comportement thermique.L’objectif de ces travaux est d’évaluer l’impact de la microstructure sur les propriétés thermiques d’un combustible UO2 à 50°C.Des céramiques UO2 ont été fabriquées. Deux familles de porosité ont été identifiées à l’aide de différentes techniques d’imagerie (microscopie optique, MEB-FIB et tomographie X) : la porosité occluse de forme quasi-sphérique et localisée dans les granulats d’UO2 et un réseau de porosité "d'assemblage" localisée à l’interface des granulats. Des paramètres descripteurs ont été déterminés par mesures par immersion et par analyse d’images. Des études par homogénéisation analytique et numérique (calculs par transformée de Fourier rapide) ont été réalisées afin d’évaluer l’impact de ces caractéristiques sur la conductivité thermique. Les calculs numériques ont été réalisés sur des images 2D et 3D obtenues par imagerie et générées avec un modèle morphologique original reproduisant les spécificités des structures poreuses observées. Ces études ont mis en évidence l’impact de la répartition spatiale et de l’interconnexion de la porosité d’assemblage sur la conductivité thermique des céramiques UO2. Finalement, le modèle proposé a été comparé à des mesures expérimentales de diffusivité thermique obtenues par méthode Flash. Cette comparaison a permis de montrer que le modèle reproduit les tendances associées à la dégradation de la conductivité thermique mesurée sur les céramiques étudiées.

mots clés

Titre traduit

Effect of pore size, morphology and spatial distribution on the thermal conductivity of UO2 ceramics
Résumé

Inside a nuclear reactor core, the behavior of fuels is largely controlled by thermal phenomena. That is why it is very important to model the thermal behavior of fuels very precisely.The objective of this study is to develop a model that indicates the influence of porosity on thermal conductivity at 50° that is representative of the thermal behavior of the UO2 fuels. UO2 fuels were manufactured and their microstructures were studied using optical microscopy, SEM-FIB and X-ray tomography. Two types of porosity were identified: 1) sealed and near-spherical pores which are located in UO2 aggregates, and 2) an interconnected "assembly" porosity located at the interfaces of aggregates. Several descriptive parameters were estimated by immersion measurements and image analysis. Studies based on analytical and numerical homogenization were conducted. Numerical calculations using the Fast Fourier Transform method were performed on images of slice planes obtained with imaging technologies or 3D simulated microstructures generated with an original morphological model reproducing some characteristics of the observed porosity networks. The significant impact of the spatial distribution and the interconnection of the assembly porosity on the thermal conductivity of manufactured UO2 fuels were highlighted. Finally, the proposed model was compared with experimental thermal diffusivity measurements obtained by the Flash method.Discrepancies between the model and the experimental measurements have been largely reduced with the proposed model compared with the standard models, which means that the developed model is more representative of the UO2 thermal behavior.