Contribution à l'étude du fluage du dioxyde d'uranium : Rôle des activateurs de croissance cristalline

= Contribution to the study of the creep of uranium dioxide. Role of grain growth promoters

• Auteur / Autrice : Christelle Vivant Duguay
• Direction : Gilbert Fantozzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 1998
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de phisico-chime du combustible
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (France)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilbert Fantozzi, Richard Duclos
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Richard Duclos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Corindon

Croissance cristalline

Fluage

Résumé

L'accroissement des performances du combustible nucléaire inclut 1' amélioration des propriétés plastiques du dioxyde d'uranium U02, en vue de réduire la contrainte appliquée par la pastille à la gaine lors d’une rampe de puissance. L'objectif de ces travaux est d'identifier et de formuler les effets produits par la nature et la concentration d'additifs de structure corindon, Cr20 3 ou Al20 3, qui sont des activateurs de la croissance cristalline de U02• L'analyse bibliographique établit que le titre en oxygène, la taille des grains ou la porosité affectent de façon notable les propriétés mécaniques du dioxyde d’uranium. Par contre, l'effet du dopage a été très peu étudié. Les échantillons préparés sont déformés par compression uni axiale. Dans le cas de uo2 standard non dopé, deux mécanismes de fluage prépondérants distincts interviennent suivant le niveau de la contrainte : un fluage par diffusion aux joints de grains de type Coble pour des contraintes en deçà de la contrainte de transition et un fluage par les dislocations au-delà. Les produits dopés présentent une microstructure à gros grains qui n'autorise qu'un fluage par les dislocations. Dans le domaine de contraintes et de températures exploré, le dopage améliore de façon significative les propriétés viscoplastiques d’U02. Cet effet commun des dopants se traduit en compression à vitesse constante par un abaissement de la contrainte d'écoulement et en fluage par une augmentation de la vitesse de déformation en régime stationnaire. Le dopage avec Cr20 3 s'avère le plus efficace. Le bénéfice apparent du dopage provient du gain apporté par l'augmentation de la taille de grains du combustible mais il est compensé par l'effet durcissant apporté par le dopant. La loi de fluage d’U02 standard a été modifiée pour intégrer les effets du dopant, en faisant intervenir soit la concentration, soit la taille de grains.

Improvement of nuclear fuel performances involves enhancing the plasticity of uranium dioxide U02, in order to reduce the stress applied by the pellet to the cladding during a power ramp. The objective of this work is to identify and to formulate the effects produced by the nature and the concentration of additives of corundum structure, Cr20 3 or A120 3 , which are grain growth promoters for U02• The review of literature data establishes that oxygen content, grain size or porosity markedly affect the mechanical properties of uranium dioxide. On the other hand, there is relatively little reported work on the influence of doping. Prepared samples have been deformed by uniaxial compression. In the case of standard undoped U02, two distinct preponderant creep mechanisms occur depending on stress level: a grain boundary diffusional creep, as per Coble, for stresses below the transition stress and a dislocation creep above. The doped materials have a large grained microstructure, which allows a dislocation creep only. In the range of temperature and stress investigated here, doping significantly improves the plasticity of standard U02. This common effect of dopants is characterized by a decrease in the flow stress for tests with constant strain rate and by enhanced steady-state creep rates. Cr20 3 doping is the more effective. The apparent benefit of doping results from the gain due to the increased grain size, but it is compensated by the strengthening effect of the additive. The creep law used to describe the behavior of standard UO, has been modified to account for the influence of the dopant, by including either the concentration or the grain size.