Comportement thermique du xénon dans le nitrure de titane fritté matrice inerte d’intérêt des RNR-G

par René Bes

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de Stéphane Gavarini et de Nathalie Millard-Pinard.

Soutenue le 03-11-2010

à Lyon 1 , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec Institut de Physique Nucléaire de Lyon (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Michel Martin.

Le jury était composé de Sonia Fleck, Michel Freyss, Patrick Trocellier.

Les rapporteurs étaient Catherine Bessada, Bernard Haas.

mots clés

• Génération IV
• Xénon
• Réacteurs à neutrons rapide et caloporteurs gaz
• Spectroscopie d’absorption
• Frittage
• Calculs ab initio
• Nitrure de Titane
• Xénon
• Frittage (métallurgie)
• Imagerie spectroscopique -- Absorption et adsorption

Résumé

Ce travail se place dans le cadre des réacteurs nucléaires de 4ème génération tels que les réacteurs à neutrons rapides et caloporteur gaz (RNR-G), pour lesquels des matériaux réfractaires comme le nitrure de titane (TiN) enroberont le combustible afin de permettre la rétention des produits de fission. Cette étude a porté sur le comportement thermique intragranulaire du xénon dans des échantillons de TiN obtenus par frittage à chaud sous charge. Le rôle de la microstructure sur le comportement thermique du xénon a été étudié. Plusieurs lots ont ainsi été synthétisés sous différentes conditions de température et de composition de la poudre initiale. Le xénon a été introduit par implantation ionique. Les échantillons ont ensuite subi des traitements thermiques entre 1300°C et 1600°C, soient les températures accidentelles envisagées. Un transport majoritaire du xénon vers la surface a été mis en évidence. Ce dernier est ralenti lorsque la température de frittage augmente. Des différences de comportement ont été observées selon les poudres mises en oeuvre dans la synthèse et selon l'orientation cristalline du grain considéré. Le relâchement du xénon a également été corrélé à l’oxydation de TiN. Des bulles de Xe dès 0,38 % atomique ont été observées. Leur taille est proportionnelle à la concentration en Xe et augmente avec la température de recuit, d’où une certaine mobilité du Xe au sein de TiN. Plusieurs mécanismes pouvant expliquer cette mobilité sont proposés. En complément, des calculs ab initio ont confirmé le caractère fortement insoluble du Xe dans TiN et révélé que les bilacunes sont les plus favorables à l'incorporation du xénon au sein de ce matériau.

mots clés

• Generation IV
• Xenon
• Gas-cooled Fast Reactor
• X-ray absorption
• Sintering
• Ab initio calculations
• Titanium nitride

Titre traduit

Xenon thermal behavior in sintered titanium nitride, foreseen inert matrix for GFR

Résumé

This work concerns the generation IV future nuclear reactors such as gas-cooled fast reactor (GFR) for which refractory materials as titanium nitride (TiN) are needed to surround fuel and act as a fission product diffusion barrier. This study is about Xe thermal behavior in sintered titanium nitride. Microstructure effects on Xe behavior have been studied. In this purpose, several syntheses have been performed using differents sintering temperatures and initial powder compositions. Xenon species have been introduced into samples by ionic implantation. Then, samples were annealed in temperature range from 1300°C to 1600°C, these temperatures being the accidental awaited temperature. A transport of xenon towards sample surface has been observed. Transport rate seems to be slow down when increasing sintering temperature. The composition of initial powder and the crystallographic orientation of each considered grain also influence xenon thermal behavior. Xenon release has been correlated with material oxidation during annealing. Xenon bubbles were observed. Their size is proportional with xenon concentration and increases with annealing temperature. Several mechanisms which could explain Xe intragranular mobility in TiN are proposed. In addition with experiments, very low Xe solubility in TiN has been confirmed by ab initio calculations. So, bivacancies were found to be the most favoured Xe incorporation sites in this material.