Etude de la formation de phases d'intérêt pour le corium : la tchernobylite (U,Zr)SiO4 et l'oxyde mixte (U,Zr)O2

Study of the formation of interesting phases for corium: chernobylite (U,Zr)SiO4 and mixed oxide (U,Zr)O2

• Auteur / Autrice : Arthur Avallone
• Direction : Nicolas Dacheux, Christine Gueneau
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Séparative, Matériaux et Procédés
• Date : Inscription en doctorat le 21/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICSM - Institut de Chimie Séparative de Marcoule

Mots clés

Mots clés libres

Silicate d'uranium et de zirconium

Oxyde d'uranium et de zirconium

Synthèse hydrothermale

Synthèse par voie humide

Thermodynamique

Corium

Uranium zirconium silicate

Uranium zirconium oxide

Hydrothermal synthesis

Wet chemistry route

Thermodynamics

Corium

Résumé

Dans un réacteur nucléaire, en cas d'accident grave, la perte de refroidissement conduit à l'échauffement du combustible UO2 et des matériaux environnants à haute température. Le combustible réagit alors avec la gaine en alliage de zirconium puis avec la cuve en acier pour former un mélange complexe de phases solides et liquides, appelé « corium en cuve ». Dans une deuxième phase de l'accident, si la cuve est percée, ce corium peut s'écouler et réagir avec le radier en béton. Le silicate (U,Zr)SiO4 appelé tchernobylite (car présent dans le corium de Tchernobyl) peut alors se former par réaction entre l'oxyde mixte (U,Zr)O2 et la silice SiO2. Pour prédire les échanges de chaleur et les phases qui se forment dans le corium, les codes accident grave sont couplés à des logiciels de calcul thermodynamique utilisant des bases de données décrivant les propriétés thermodynamiques du corium. Ces calculs sont effectués avec la méthode CALPHAD par minimisation de l'enthalpie libre du système. Dans les bases de données, le pseudo-ternaire UO2-ZrO2-SiO2 fait partie des systèmes importants à bien décrire pour prédire les phases se formant dans le corium. Or la limite de solubilité de l'uranium dans le zircon ZrSiO4 et les propriétés thermodynamiques de la tchernobylite (Zr,U)SiO4 sont mal connues. De plus l'oxyde mixte (U,Zr)O2 reste mal caractérisé d'un point de vue thermodynamique. Nous proposons donc l'étude de la stabilité de ces phases pour pallier le manque de données et améliorer les modèles thermodynamiques sur les systèmes UO2-SiO2-ZrO2 et U-Zr-O. Après avoir optimisé les conditions de synthèse et de purification des deux solutions solides par voie humide, les échantillons seront caractérisés d'un point de vue physico-chimique et thermodynamique. L'ensemble de ces résultats expérimentaux serviront de données d'entrée à la modélisation des systèmes UO2-ZrO2-SiO2 et U-Zr-O.

In the event of a severe accident in a nuclear reactor, the loss of cooling leads to high-temperature heating of the UO2 fuel and surrounding materials. The fuel can then react with the zirconium alloy cladding and steel vessel to form a complex mixture of solid and liquid phases, known as in-vessel corium. In a second step of the accident, if the vessel is breached, this corium can flow out and react with concrete. The silicate (U,Zr)SiO4 known as chernobylite (present in the Chernobyl corium) can then form by reaction between the mixed oxide (U,Zr)O2 and silica SiO2. To predict the heat exchanges as well as the phases formed in the corium, severe accident codes are coupled with thermodynamic calculation software using databases describing the thermodynamic properties of the corium. These calculations are performed using the CALPHAD method, by minimizing the free enthalpy of the system. In these databases, the UO2-ZrO2-SiO2 pseudo-ternary diagram is one of the important to be well described in order to predict the phases formed in the corium. However, the solubility limit of uranium in zircon (ZrSiO4) and the thermodynamic properties of chernobylite (Zr,U)SiO4 are poorly known. Moreover, the mixed oxide (U,Zr)O2 remains poorly characterized from a thermodynamic point of view. We therefore propose to study the stability of these phases to overcome the lack of data and to improve thermodynamic models of the UO2-SiO2-ZrO2 and U-Zr-O systems. After optimizing the conditions for synthesis by wet chemistry route and purification of the two solid solutions, the samples will be characterized from a physico-chemical and thermodynamic point of view. All these experimental results will serve as input data for modeling the UO2-ZrO2-SiO2 and U-Zr-O systems.