Études des mécanismes couplés d'interaction et de changement de phases en milieu oxydant de phases liquides métalliques en conditions d'accidents graves nucléaires à haute température

Investigation of interaction and phase-change mechanisms of liquid metallic phases in oxidant atmosphere in severe nuclear accident conditions at high temperature

• Auteur / Autrice : Sarah Thilliez
• Direction : Jacques Poirier, Emmanuel de Bilbao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/09/2022
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (Orléans ; 2008-...)
• Jury : Président / Présidente : René Guinebretière
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : René Guinebretière, Yves Wouters, Suzanne Giorgio, Pascal Piluso, Jules Delacroix, Carine Petitjean
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Wouters, Suzanne Giorgio

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydation

Métaux -- Effets des hautes températures

Accidents nucléaires

Physique -- Recherche

Mots clés libres

Accident nucléaire grave

État liquide

Zirconium

Fer

Oxydation

Severe nuclear accident

Liquid state

Zirconium

Iron

Oxidation

Résumé

Ce travail de thèse s'intéresse à l'oxydation du zirconium et du fer à l'état liquide sous dioxygène et vapeur d'eau en conditions d'accidents graves nucléaires à très haute température. Un dispositif expérimental nommé VITOX, permettant de déterminer la cinétique d'oxydation de métaux à haute température (T>1600°C) sous différentes atmosphères (Ar-O₂ et Ar-H₂O), a été conçu, qualifié et mis en œuvre au cours de ce travail de thèse. L'approche expérimentale est complétée par des analyses métallographiques MEB-EDS, menant à la définition des mécanismes d'oxydation prépondérants. Les essais d'oxydation effectués sur le fer liquide à 1620°C ont montré la formation d'une couche d'oxyde liquide à la surface puis dans le volume des échantillons. Une loi cinétique de forme sigmoïde a ainsi pu être établie. Les analyses post-mortem mettent en évidence un mécanisme d'oxydation d'abord basé sur l'absorption d'oxygène à la surface liquide, puis sur la diffusion de l'oxygène dans le volume de l'échantillon. Dans le cas de l'oxydation du zirconium à l'état liquide, un oxyde solide se forme à la surface des échantillons, menant à la prévalence d'une loi cinétique de type parabolique. Les analyses post-mortem confirment un mécanisme d'oxydation basé sur la diffusion en volume de l'oxygène dans la couche oxyde. Finalement, la cinétique sous vapeur d'eau relativement à l'oxygène s'avère moins rapide pour le fer liquide, le zirconium liquide, illustrant l'impact de la nature du gaz oxydant. À terme, les données expérimentales et lois cinétiques déterminées durant ce travail de thèse pourront être utilisées afin d'alimenter des codes scénarios qui s'intéressent notamment à la production de dihydrogène au cours d'un accident grave.

In the framework of severe nuclear accident, this thesis work investigates the oxidation of zirconium and iron at liquid state under dioxygen and steam at high temperature. In order to study these phenomena, the VITOX experimental facility has been specifically designed. The VITOX facility allows to conduct separate-effect oxidation experiments at high temperature (T>1600°C) with various oxidant atmospheres (Ar-O₂ and Ar-H₂O). The experimental approach is completed with metallographic analyses carried out with SEM-EDS in order to determine the oxidation mechanisms of zirconium and iron at liquid state. The iron experiments at 1620°C under dioxygen and steam water have enhanced the generation of a liquid oxide layer at sample surface. The oxidation kinetics established in this configuration is regarded as a sigmoid function. The metallographic analysis reveals that the oxidation mechanism of liquid iron is based first on oxygen absorption, then on oxygen diffusion in the sample bulk. In the case of liquid zirconium oxidation, a solid oxide layer is formed at the surface of the liquid sample leading to oxidation kinetics which can be described as a parabolic evolution. The metallographic analysis have shown that the limiting oxidation mechanism is the oxygen diffusion through the solid oxide layer. Finally, the oxidation kinetics under steam in comparison with oxygen reveals slower for liquid iron, and liquid zirconium, highlighting the impact of oxidant atmosphere nature. In term, the experimental data and the kinetics laws defined during the present thesis can feed the scenarios codes, particularly when considering the dihydrogen production during a severe accident.