Assessment of the ternary phase diagram on the stoichiometric and hypo-stoichiometric U-Nd-O system
Etude du diagramme de phase du système U-Nd-O sous conditions stoechiométriques et sous-stoechiométriques
Résumé
This thesis concerns the experimental study and thermodynamic modeling of the behavior of advanced fuels used in current and future generation nuclear power plants. The subject of the thesis is more precisely the study of the ternary system (U-Nd-O) and for comparison purposes of (U-Ce-O). This system is particularly representative of the fission products accumulated in the fuel for high combustion rates but also of the initial atomic substitutions in the fuel by neutron poisons, used in nuclear fuels with high enrichment levels and capable of spacing out nuclear reactor outages. The study of this system presents significant challenges due to the open conflict between thermodynamic and kinetic phenomena. It is indeed an out of equilibrium system where the long-range ordering of local structures is frustrated by the negligible of atomic transport in the cation sublattice in the range of temperatures of interest for applications. During this thesis, a review of the existing literature motivated the manufacture of samples with well-defined characteristics by powder metallurgy methods and by soft chemistry methods leading to a control of dopant distributions. The results obtained by numerous characterization techniques (XRD, SEM, TEM, XAS) on samples treated thermally under oxidizing or reducing conditions have allowed a critical re-evaluation of the phase diagrams currently used. We have modelled a new phase diagram that includes new experimental results. This allows a better knowledge of the limits of use of nuclear fuels respecting optimal safety conditions.
Cette thèse concerne l’étude expérimental et la modélisation thermodynamique du comportement des combustibles avancés utilisés dans les centrales nucléaires actuelles et de future génération. L’objet de la thèse est plus précisément l’étude du système ternaire (U-Nd-O) et pour comparaison du système ternaire (U-Ce-O). Ce système est particulièrement représentatif des produits de fissions accumulés dans le combustible pour des taux de combustion élevés mais aussi du dopage initial du combustible avec des poisons neutroniques utilisés dans des combustibles à fort taux d’enrichissement en mesure d’espacer les arrêts réacteur. L’étude de ce système présente des défis importants en raison du conflit ouvert entre phénomènes thermodynamiques et cinétiques. Il s’agit en effet d’un système hors équilibre où la mise en ordre à longue porté des structures locales est frustrée par la faiblesse du transport cationique dans la plage de températures d’intérêt pour les applications. Au cours de cette thèse, une révision de la littérature existante a motivé la fabrication d’échantillons aux caractéristiques bien définies par des méthodes de métallurgie des poudres et par des méthodes de chimie douce aboutissant à un contrôle des distributions des dopants. Les résultats obtenus par de nombreuses techniques de caractérisation (DRX, MEB, MET, XAS) sur des échantillons traités thermiquement dans des conditions oxydantes ou réductrices ont permis une réévaluation critique des diagrammes de phases actuellement utilisés. Nous avons pu proposer des modifications aboutissant à un nouveau diagramme de phases permettant une meilleure connaissance des limites d’utilisation des combustibles dans des conditions de sécurité optimales.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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