Matériaux composites Al/B4C pour le domaine de l'énergie nucléaire

Al/B4C composite materials for nuclear application

• Auteur / Autrice : Alexandre Brillon
• Direction : Jean-François Silvain, Christian Garnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 01/02/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Cyril Aymonier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fanny Riallant, Yann Le Petitcorps, Jean-Luc Battaglia, Nicolas Tessier-Doyen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sylvain Dubois, Jean-Marc Chaix

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conditionnement

Déchets radioactifs

Mots clés libres

Métallurgie des poudres

Matriaux composites

Aluminium

Carbure de bore

Propriétés thermiques

Propriétés mécaniques

Powder metallurgy

Composite materials

Aluminum

Boron carbide

Thermal properties

Mechanical properties

Résumé

L’énergie nucléaire, qui a l’avantage d’être une filière extrêmement productive en plus de sa faible émission de gaz polluants (10 g CO2/kWh en moyenne), est en continuel développement à l’échelle nationale comme internationale. Toutefois, l’une des problématiques de cette énergie concerne la gestion des assemblages combustibles nucléaires usés qui peuvent être recyclés afin de récupérer plus de 96% de la matière pour la fabrication de nouveaux assemblages MOX comme c’est le cas en France par Orano ou bien être entreposés sur des sites dédiés avant leur stockage dans des installations souterraines. Il est nécessaire de transporter, entreposer ou stocker les assemblages combustibles dans des emballages ou systèmes résistants aux conditions extrêmes imposées par les autorités internationales (AIEA) et nationales afin d’assurer la sûreté des personnes et des installations. La sûreté des emballages ou systèmes de transport et d’entreposage repose alors sur la conception et les matériaux utilisés aux caractéristiques physiques et les qualités répondant aux plus hautes exigences de sûreté.Notre étude porte sur un des matériaux composant les paniers des emballages. Le panier est situé au centre de l’emballage et permet de séparer physiquement les assemblages. Le matériau du panier doit alors répondre aux propriétés régies par un cahier des charges stricte :- Une qualité d’absorbant neutronique afin de capturer les neutrons émis lors des réactions nucléaires dans les assemblages combustibles et ainsi assurer la sous-criticité du contenu ;- Une conductivité thermique élevée afin d’évacuer la chaleur émise par les assemblages combustibles usés vers l’extérieur de l’emballage ;- Une fiabilité mécanique pour assurer l’intégrité des assemblages combustibles pendant les différentes phases d’utilisation des emballages ;- Une fiabilité des matériaux durant la période d’utilisation et des propriétés à hautes températures (jusqu’à 300 °C).Pour répondre à ces critères industriels, notre étude est basée sur l’élaboration, par métallurgie des poudres, de matériaux composites à matrice aluminium renforcée par des renforts particulaires de carbure de bore (B4C). Une étude de sensibilité des propriétés thermiques et mécaniques vis-à-vis des procédés d’élaboration investigués, du taux volumique de B4C ainsi que sa taille est réalisée. Les caractérisations thermiques sont réalisées par méthode laser flash afin de déterminer la diffusivité thermique des matériaux et d’en déduire les conductivités thermiques. Les caractérisations mécaniques sont, quant à elles, déterminées par des essais classiques de traction unidirectionnelle. Dès lors, les corrélations entre les conditions d’élaboration, sa microstructure et les propriétés macroscopiques de ces matériaux composites sont déterminées.

Nuclear energy, which has the advantage of being an extremely productive sector in addition to its low emission of polluting gases (10 g CO2/kWh on average), is in continuous development on a national and international scale. However, one of the problems of this energy concerns the management of spent nuclear fuel assemblies which can be recycled in order to recover more than 96% of the material for the manufacture of new MOX assemblies, as is the case in France by Orano, or stored on dedicated sites before their storage in underground facilities. It is necessary to transport, store or stock fuel assemblies in packages or systems that can withstand the extreme conditions imposed by the international (IAEA) and national authorities to ensure the safety of people and installations. The safety of the transport and storage casks or systems is then based on the design and the materials used with physical characteristics and qualities meeting the highest safety requirements.Our study focuses on one of the materials used in the packaging baskets. The basket is located in the center of the package and allows the physical separation of the assemblies. The material of the basket must then meet the properties governed by a strict specification:- A neutron absorbing quality in order to capture the neutrons emitted during the nuclear reactions in the fuel assemblies and thus ensure the subcriticality of the contents;- A high thermal conductivity to evacuate the heat emitted by the spent fuel assemblies to the outside of the package;- Mechanical reliability to ensure the integrity of the fuel assemblies during the different phases of use of the cask;- Reliability of materials during the period of use and properties at high temperatures (up to 300°C).To meet these industrial criteria, our study is based on the elaboration, by powder metallurgy, of composite materials with aluminum matrix reinforced by boron carbide (B4C) particulate reinforcements. A sensitivity study of the thermal and mechanical properties with respect to the investigated elaboration processes, the volume rate of B4C as well as its size is carried out. The thermal characterizations are carried out by laser flash method to determine the thermal diffusivity of materials and to deduce the thermal conductivities. The mechanical characterizations are determined by classical unidirectional tensile tests. From then on, the correlations between the conditions of elaboration, its microstructure and the macroscopic properties of these composite materials are determined.