Contribution expérimentale à l'étude thermodynamique des systèmes Ag-Zr et Ag-Cd-In

Experimental contribution to thermodynamics of Ag-Zr and Ag-Cd-In phase diagrams

• Auteur / Autrice : Alexandre Decreton
• Direction : Jacques Rogez, Marc Barrachin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière
• Date : Soutenance le 17/03/2016
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Institut : Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) (Fontenay-aux-Roses ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : institut : Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (Marseille ; Toulon ; 2008-….)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et matériaux pour la mécatronique, SYMME (Annecy)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Joubert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Lomello-Tafin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas David, Olivier Dezellus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière condensée

Combustion nucléaire

Physique nucléaire

Thermodynamique

Mots clés libres

Thermodynamique

Diagrammes de Phase

Ag-Zr

Ag-Cd-In

Thermodynamics

Phase Diagrams

Ag-Zr

Ag-Cd-In

Résumé

En cas d’accident grave dans un réacteur nucléaire à eau sous pression, l’alliage absorbant Ag-Cd-In est susceptible d’interagir à haute température avec leurs tubes guides en zircaloy. L’étude thermodynamique du liquide et des équilibres impliquant cette phase dans les systèmes Ag-Zr et Ag-Cd-In est une étape pour une estimation des relâchements de produits de fission. Le système Ag-Zr est difficile à étudier en raison de la réactivité du zirconium, à l’état liquide et avec l’oxygène, et de la difficulté à atteindre l’équilibre et enfin car les stabilités des phases intermédiaires AgZr et AgZr2 sont faibles. Après la mise en place de protocoles expérimentaux, les réactions invariantes du système sont établies en couplant l’analyse thermique différentielle avec des caractérisations par MEB. Un diagramme de phases Ag-Zr est proposé. Des mesures de calorimétrie de dissolution en bain aluminium sont effectuées à 723°C dans le but de déterminer l’enthalpie de formation de AgZr et AgZr2. Les résultats montrent la difficulté de dissoudre le zirconium dans l’aluminium liquide. Un modèle est développé pour quantifier la cinétique de dissolution. L’enthalpie de formation de AgZr est déterminée par calorimétrie de dissolution en bain acide à 25°C. L’extension dans le diagramme Ag-In-Cd du domaine de stabilité de la phase liquide est précisée en combinant une méthode isotherme de recuit et trempe d’échantillons biphasés solide/liquide avec la calorimétrie différentielle à balayage . La cohérence de ces nouveaux résultats entre eux et avec les données de la littérature est testée par le biais d’une optimisation thermodynamique suivant la méthode CALPHAD.

During a severe accident in a Pressurized Water Reactor, the Ag-In-Cd absorbing alloy is likely to interact at a high temperature with their guide tubes or with the fuel rod cladding, both in Zry. The thermodynamic study of liquid phase and its equilibria in the Ag-Zr and Ag-Cd-In systems is a necessary step for an estimate of the fission product release and of the corium progression. The aim is to bring an experimental contribution to this thermodynamic study. The Ag-Zr system is difficult to study experimentally for various reasons. Zirconium, especially when liquid, is reactive with oxygen. Equilibria often prove difficult to reach. Last, the stabilities of AgZr and AgZr2 are low. After the establishment of experimental protocols, the invariant transformations of the system were established by coupling differential thermal analysis with characterization by metallography and scanning electron microscopy. A Ag-Zr phase diagram is proposed. Solution calorimetry measurements in an Al bath were performed at 723°C to determine the enthalpy of formation of AgZr and AgZr2. Results show the difficulty of dissolving solid zirconium in aluminum. A model was developed to quantify the dissolution kinetics. The formation enthalpy of AgZr was determined by solution calorimetry in an acid bath at 25°C. In the Ag-In-Cd system, the extension of the liquid phase stability domain is specified by combining an isothermal method of annealing and quenching of biphasic solid / liquid samples with differential scanning calorimetry. The consistency of the new results between them and compared to the literature has been tested by means of a thermodynamic optimization following the CALPHAD method.