Étude de la structure électronique des actinides et de leurs dioxydes : application aux défauts ponctuels et aux gaz de fission dans le dioxyde d'uranium

Study of the electronic structure of actinide and dioxide actinide solids : applications to punctual defects and fission gases solubilities in uranium dioxide

• Auteur / Autrice : Thierry Petit
• Direction : Bernard Bigot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences appliquées
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure (sciences)

Résumé

Le dioxyde d'uranium est le combustible standard des centrales nucléaires exploitées par EDF. Au cours de l'irradiation, des produits de fission se créent, parmi lesquels le krypton et le xénon, au sein des pastilles de combustible. Or, le relâchement de ces gaz rares pourrait devenir, à très fort taux de combustion, un paramètre limitant l'exploitation des réacteurs. Pour étudier ce sujet, nous avons réalisé des calculs utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité et les approximations LDA et ASA. Nous avons tout d'abord validé notre approche en calculant les propriétés de cohésion du thorium, du protactinium et de l'uranium. Le bon accord avec les mesures est lié à la démonstration que les électrons 5f de ces métaux participent aux liaisons chimiques et à la prise en compte des états 6p dans les calculs de structure de bande. Pour les dioxydes d'uranium et de thorium, le paramètre de maille d'équilibre, l'énergie de cohésion et le coefficient de compressibilité sont en très bon accord avec l'expérience. Nous montrons de plus que les liaisons entre les atomes d'uranium et d'oxygène ne sont pas totalement ioniques mais comportent une composante covalente. Seule la question de la conductivité électrique du dioxyde d'uranium reste ouverte. Nous avons pu calculer les énergies de formation des défauts ponctuels dans le dioxyde d'uranium. Conformément aux observations expérimentales, nous trouvons qu'il est plus facile de créer un défaut dans le sous-réseau d'oxygène que dans le sous-réseau d'uranium. Enfin, nous avons pu prédire un site d'accueil probable du krypton dans le combustible nucléaire : la lacune d'uranium. Des expériences de spectroscopie X (EXAFS et XPS) sur des échantillons de dioxyde d'uranium dopés par implantation ionique devraient nous aider dans la compréhension des phénomènes étudiés et dans l'interprétation des résultats de nos calculs.