Dopage au chrome du dioxyde d’uranium : modifications physiques induites

Study of physical modifications induced by chromium doping of uranium dioxide

• Auteur / Autrice : Mathieu Fraczkiewicz
• Direction : Clément Lemaignan, Philippe Garcia, Jean Noirot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble INPG
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'examens et d'étude du combustible (Cadarache ;CEA/DEN/DEC/SA3C/L2EC) - Commissariat à l'énergie atomique. Département d'études des combustible. Laboratoire des Lois de Comportement du Combustible (Cadarache)
• Jury : Président / Présidente : Claude Petot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Wiss, Gianguido Baldinozzi, Christine Delafoy
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marie-France Barthe, Constantin Meis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Irradiation

Conduction électrique

Semiconducteurs -- Dopage

Dioxyde d'uranium

Mots clés libres

Uo2

Hélium

Défauts ponctuels

Conductivité électrique

Diffusion

Irradiation aux ions

Chrome

Uo2

Helium

Point defects

Electrical conductivity

Diffusion

Ion irradiation

Chromium

Résumé

L’accroissement des performances du combustible UO2 actuel implique une meilleure rétention des gaz de fission. Dans cette optique, une amélioration envisagée est l’ajout de chrome. En effet, le chrome accélère la croissance cristalline de l’UO2, permettant d’accroître significativement la taille de grains. L’objet de ce travail est d’identifier les défauts engendrés par la présence de chrome dans l’UO2 et leur impact sur les propriétés d’intérêt du matériau. Dans un premier temps, une étude des défauts ponctuels présents dans le combustible dopé au chrome à l’issue du frittage a été effectuée. La caractérisation en Spectroscopie d’Absorption des rayons X a permis d’identifier l’environnement du chrome solubilisé. Ce dernier est placé approximativement en substitution de l’uranium, mais engendre une réorganisation complète de l’environnement oxygène correspondant, ainsi que des distorsions du réseau. Les mesures des propriétés électriques et d’autodiffusion de l’oxygène ont montré que la compensation de charges dans le matériau engendrée par la présence de chrome modifie au premier ordre les propriétés de transport atomique dans le matériau. Une modélisation des défauts ponctuels de l’UO2 dopé ou non en fonction de son écart à la stœchiométrie en oxygène a été développée, mettant en exergue la complexité des phénomènes mis en jeux. Par l’observation en microscopie électronique en transmission de lames minces irradiées aux ions, une coalescence des défauts d’irradiation facilitée par la présence de chrome a été mise en évidence. L’origine proposée à ce phénomène est une stabilisation des agrégats de défauts d’irradiation par la précipitation d’atomes de chrome en sursaturation. Enfin, l’étude par NRA (Nuclear Reaction Analysis) de la redistribution thermique d’hélium implanté, a permis de confirmer l’impact de la présence de chrome sur le comportement des défauts d’irradiation. En effet, des mesures locales par μ-NRA ont montré l’absence de zone de diffusion accélérée à proximité des joints de grains rapportée pour l’UO2 non dopé et associée à la restauration des défauts d’implantation

Improvement of nuclear fuel performances requires reducing fission gas release. Doping uranium dioxide with chromium is the improvement axis considered in this work. Indeed, chromium fastens crystal growth in UO2, and thus enables a significant increase of the grain size. This work aims at the identification of defects produced by chromium addition in UO2, and their impact on properties of interest of the material. First, defects existing in doped fuel directly after sintering have been studied. X-ray Absorption Spectroscopy allowed the identification of the environment of solubilised chromium in UO2. Chromium atoms are roughly substituting for uranium atoms, but generate a complete reorganisation of neighbouring oxygen atoms, and distortion of uranium sublattice. Characterisation of transport properties (electrical conductivity and oxygen self-diffusion) have shown that because of charge balance, chromium plays a leading role on such properties. A model of point defects in UO2 has been proposed, showing how complex the involved phenomena are. Observations by Transmission Electron Microscopy of ion-irradiated thin foils have shown that chromium makes the coalescence of irradiation defects easier. This behaviour can be explained by a stabilisation of defect clusters due to precipitation of chromium Finally, study of thermal diffusion of helium in doped UO2, performed by Nuclear Reaction Analysis, has confirmed this interaction between chromium atoms and irradiation defects. Indeed, μ-NRA measures have shown no fast gas diffusion close to grain boundaries, in contrast with standard UO2 behaviour, which is associated with defects recovery in grain boundaries.