Dissolution de poudres d'oxydes mixtes (U,Pu)O2 monophasées

Dissolution of mixed oxide powders (U, Pu)O2

• Auteur / Autrice : Yannis Ziouane
• Direction : Gilles Leturcq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et physicochimie des matériaux
• Date : Soutenance le 18/10/2017
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie Séparative de Marcoule
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Moncoffre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Leturcq, Nathalie Moncoffre, Thierry Loiseau, Sylvie Delpech, Gilles Berger, Damien Daval
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Loiseau, Sylvie Delpech

Mots clés

Mots clés contrôlés

Combustibles nucléaires

Oxydes mixtes

Mots clés libres

Chimie des matériaux

Dissolution

Combustible

Materials chemistry

Dissolution

Fuel

Résumé

Le principal objectif de cette étude est d'acquérir des données de base sur la dissolution de composés (U,Pu)O2 en appui à la compréhension des phénomènes intervenant lors des étapes de dissolution des combustibles MOX des filières de réacteurs à eaux légères et à neutrons rapides sodium. Les études antérieures, en particulier sur des combustibles MOX non irradiés, ont mis en évidence la complexité d'une compréhension des mécanismes de dissolution par une approche directe. En effet, la dissolution dépend d'un grand nombre de paramètres, qui sont principalement les conditions chimiques d'attaque (acidité, température, ...), mais surtout les caractéristiques physico-chimiques de la pastille considérée (teneur en plutonium, homogénéité de la teneur en plutonium, microstructure, géométrie, ...), la majorité d'entre elles étant fortement dépendantes du procédé de fabrication utilisé. Pour éviter l'obtention de réponses moyennées du fait de la présence d'une hétérogénéité de la répartition en Pu au sein des pastilles, on se propose de réaliser une étude sur des poudres de composés monophasés de stœchiométrie parfaitement définie (U et Pu) et de morphologie parfaitement déterminée. Une approche par étapes a permis de déterminer les différents paramètres clé déterminant les cinétiques de dissolution de ces oxydes d’actinides (surface spécifique, taille des cristallites, teneur en Pu, activité des ions nitrate, température de dissolution, énergie d’activation). Une loi cinétique globale permettant de décrire les cinétiques de dissolution des oxydes U1-xPuxO2 a été établie à partir de 45 essais différents (avec 0≤x≤1). Elle décrit les cinétiques de dissolution obtenues à toutes teneurs en plutonium et morphologies de l’oxyde, dans des gammes de températures variant de 50 à 95°C et des intervalles d’acidités variant de 1,5 à 8,5 mol/L. Le modèle ainsi créé décrit assez précisément la cinétique de dissolution de n’importe quel oxyde U1-xPuxO2 alors qu’il existe plus de cinq ordres de grandeurs d’écart entre les cinétiques de dissolution de l’UO2 et du PuO2. Des essais complémentaires sur des composés monophasés ont été menés validant le caractère prédictif du modèle.

The main objective of this study is to acquire data on the dissolution of (U, Pu)O2 compounds to support the understanding of the phenomena occurring during the dissolution steps of MOX fuels irradiated in light water or sodium fast reactors. Previous studies, in particular on unirradiated MOX fuel, have highlighted the complexity of understanding the dissolution mechanisms through a direct approach. Indeed, the dissolution depends on a large number of parameters, which are mainly chemical dissolution parameters (acidity, temperature…). But it also depends on the physico-chemical characteristics of the fuel pellets (plutonium content, homogeneity of the plutonium content, microstructure, geometry...), a majority of which being highly dependent on the manufacturing process used. To avoid getting averaged responses due to the presence of heterogeneity in the Pu distribution in pellets, it is proposed to carry out a study on single-phase compounds in the shape of powders characterized by a well-defined stoichiometry (U and Pu) and a perfectly determined morphology. A step approach allowed the determination of the key parameters controlling the dissolution kinetics of these actinide oxides (specific surface area, crystal size, Pu content, activity of nitrate ions, dissolution temperature).A global kinetics law describing the dissolution kinetics of U1-xPuxO2 oxides was established from 45 dissolution tests (with 0≤x≤1, [HNO3] and temperature ranging from 1.5 to 8.5M and from 50 to 95°C respectively). Despite the 5 orders of magnitude between dissolution kinetics of UO2 and PuO2, the model shows a good precision. Additional dissolution tests were conducted on different single-phase oxide powders to validate the predictive quality of this model.