Contribution expérimentale à l'étude des systèmes Ag-Cd-In, In-Zr et In2O3-ZrO2

Experimental contribution to thermodynamics of the Ag-Cd-In, In-Zr and In2O3-ZrO2 systems

• Auteur / Autrice : Kasi V Siva Sai Gajavalli
• Direction : Jacques Rogez, Pierre Benigni, Marc Barrachin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Matière condensée et nanosciences
• Date : Soutenance le 19/03/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (IM2NP) (Marseille, Toulon) - Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) (Fontenay-aux-Roses ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Marc Lomello-Tafin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annie Antoni-Zdziobek, Amin Janghorban, Dario Manara, Evelyne Fischer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Drouet, Olivier Tougait

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réacteurs à eau sous pression

Thermodynamique

Mots clés libres

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Résumé

En cas d’accident grave avec perte du refroidissement sur un réacteur nucléaire à eau sous pression, l’alliage Ag-Cd-In constitutif des crayons de contrôle est susceptible d’interagir à haute température avec leurs tubes guides ou les gaines des combustibles, tous deux en Zircaloy. L'étude thermodynamique du système Ag-Cd-In-Zr-O et en particulier de sa phase liquide et des équilibres associés est donc une étape nécessaire pour une estimation fiable des relâchements de produit de fission et de la progression du corium. Plus précisément, l’objectif de la thèse est d’apporter une contribution expérimentale à l’étude thermodynamique des sous-systèmes binaires Ag-Zr et In-Zr, pseudo-binaire In2O3-ZrO2, et ternaire Ag-Cd-In, pour lesquels les données à haute température font défaut. Dans le système Ag-Cd-In, les températures de liquidus ont été déterminées par analyse thermique interrompue au chauffage. Les enthalpies partielles de chute dissolution de Zr, Ag et In en bain d’Al ont été mesurées afin de déterminer les enthalpies de formation des composés binaires Ag-Zr et In-Zr. L’enthalpie de formation de In2Zr a été mesurée par calorimétrie de réaction directe et par calorimétrie de chute dissolution dans Al. Une étude métallographique du système In-Zr a été réalisée. Des premiers résultats ont été obtenus par analyse thermique laser flash sur le système In2O3-ZrO2 avec de nouvelles températures de fusion proposées pour les composés. La cohérence de ces nouveaux résultats entre eux et vis-à-vis des données de la littérature a été testée avec la méthode CALPHAD. Ces nouvelles données et descriptions thermodynamiques ont été intégrées dans la base de données NUCLEA de l’IRSN

In the occurrence of a severe accident with loss of coolant on a pressurized water reactor, the silver indium-cadmium absorbing alloy which constitutes the control rods is likely to interact at high temperature with their guide tubes or the fuel rods cladding, both in Zircaloy. In this context, the thermodynamic study of the Ag-Cd-In-Zr-O multicomponent system and in particular of the liquid phase and its associated equilibria is a necessary step for a reliable estimate of the fission product release and of the corium progression. More precisely, the aim of the thesis is to bring forth an experimental contribution to the thermodynamic study of the binary Ag-Zr, In-Zr, quasi-binary In2O3-ZrO2, and ternary Ag-Cd-In subsystems for which high temperature data are still missing.In the Ag-Cd-In system, equilibrium liquidus temperatures have been determined by interrupted heating thermal analysis. The partial drop solution enthalpies of Ag, In and Zr in liquid Al in have been measured in order to determine the formation enthalpies of the various Ag-Zr and In-Zr binary compounds. The formation enthalpy of In2Zr has been measured by both high temperature direct synthesis calorimetry and by drop solution calorimetry in liquid Al. A preliminary study of the In-Zr phase diagram has been performed by metallography. In the In2O3-ZrO2 system, first results have been obtained by laser flash thermal analysis and new melting temperatures for the compounds are proposed. The overall consistency of the new results, between them and compared to literature data, has been tested using the CALPHAD method. These new thermodynamic data have been introduced in the IRSN NUCLEA database