Fragmentation du combustible nucléaire UO2 en environnement oxydant : Etude cinétique et phénoménologique

Une des voies envisagées pour apporter de la flexibilité à la gestion du combustible UO2 usé/irradié est son entreposage à sec. Ce mode de gestion pose en particulier la question de la tenue du combustible en cas de scénario accidentel qui entraînerait la mise à l'air des pastilles de UO2. La cinétique d'oxydation et la phénoménologie de la fragmentation de UO2 entre 250 et 330°C ont été étudiées à partir de vieillissements sous O2 et sous air de monocristaux et de fragments de pastilles de combustible non irradiés. En environnement oxydant, l'initiation de la fissuration semble due à la relaxation des contraintes de traction induites par la contraction du réseau cristallin lors de la croissance d'une couche de U4O9/U3O7 en surface de UO2. Ainsi, une période d'incubation avant fissuration, dont la durée chute avec l'augmentation de la température, est mise en évidence. Durant leur oxydation, monocristaux et fragments présentent une fissuration progressive conduisant à leur subdivision jusqu'à une taille de grain submicronique

Corrosion à haute température et à haute pression de composites thermostructuraux à matrice séquencée SiCf/[Si, C, B]m et Cf/[Si, C, B]m pour applications aéronautiques

Thermostructural composites with sequenced matrix SiCf/[Si, C, B]m and Cf/[Si, C, B]m are intended to replace superalloys in the architecture of the hot parts of aircraft engines. Their resistance to oxidation/corrosion has been studied from (i) aging in high temperature and high pressure environments, (ii) post-aging mechanical tests at room temperature, (iii) post-mortem morphological analyses through Optical and Electronic Scanning Microscopies and (iv) physico-chemical characterizations in X-ray Diffraction, Raman Microspectrometry, Fourier Transform Infrared Spectroscopy, X-ray Photon Spectroscopy, Auger Electron Spectroscopy and X-Ray Spectrometry Microanalysis. Corrosion tests are carried out at 600 and 1200 °C, for periods of up to a thousand hours in Air/H2O(g) mixtures (90/10, 80/20 and 50/50) between 5 and 10 cm. S-1, from atmospheric pressure up to 1 MPa. The influences of different experimental conditions and material-specific parameters are highlighted and discussed. In addition, modes of initiation and propagation of corrosion are proposed for each of the two materials and for each of the two temperatures studied. Finally, a theoretical approach, based on Stephan-Maxwell scattering equations and thermodynamic calculations, is developed and makes it possible to predict the order of magnitude of the degradation rates of SiC and B4C in high temperature and high pressure environments. The analytical model takes into account the inter-diffusion phenomena of gaseous species in the boundary layer located on the surface of oxidized carbon and was validated from experimental data extracted from this study and the literature.Les composites thermostructuraux à matrice séquencée SiCf/[Si, C, B]m et Cf/[Si, C, B]m sont destinés à remplacer les super-alliages dans l'architecture des parties chaudes des moteurs aéronautiques. Leur résistance à l'oxydation/corrosion a été étudiée à partir (i) de vieillissements dans des environnements à haute température et à haute pression, (ii) d'essais mécaniques post-vieillissement à température ambiante, (iii) d'analyses morphologiques post-mortem par le biais de Microscopies Optique et Electronique à Balayage et (iv) de caractérisations physico-chimiques en Diffraction des Rayons X, Microspectrométrie Raman, Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier, Spectroscopie de Photons X, Spectroscopie d'Electrons Auger et Microanalyse par Spectrométrie de Rayons X. Les essais de corrosion sont menés à 600 et à 1200°C, pendant des durées pouvant atteindre un millier d'heures dans des mélanges Air/H2O(g) (90/10, 80/20 et 50/50) s'écoulant entre 5 et 10 cm. S-1, de la pression atmosphérique jusqu'à 1 MPa. Les influences des différentes conditions expérimentales et des paramètres propres aux matériaux sont mises en évidence et discutées. En outre, des modes d'initiation et de propagation de la corrosion sont proposés pour chacun des deux matériaux et pour chacune des deux températures étudiées. Enfin, une approche théorique, basée sur les équations de diffusion de Stephan-Maxwell et des calculs thermodynamiques, est développée et permet de prévoir l'ordre de grandeur des vitesses de dégradation du SiC et du B4C dans des environnements à haute température et à haute pression. Le modèle analytique prend en compte les phénomènes d'inter-diffusion des espèces gazeuses dans la couche limite située à la surface du carbone oxydé et a été validé à partir de données expérimentales extraites de cette étude et de la littérature

Corrosion à haute température et à haute pression de composites thermostructuraux à matrice séquencée SiCf/[Si, C, B]m et Cf/[Si, C, B]m pour applications aéronautiques

Thermostructural composites with sequenced matrix SiCf/[Si, C, B]m and Cf/[Si, C, B]m are intended to replace superalloys in the architecture of the hot parts of aircraft engines. Their resistance to oxidation/corrosion has been studied from (i) aging in high temperature and high pressure environments, (ii) post-aging mechanical tests at room temperature, (iii) post-mortem morphological analyses through Optical and Electronic Scanning Microscopies and (iv) physico-chemical characterizations in X-ray Diffraction, Raman Microspectrometry, Fourier Transform Infrared Spectroscopy, X-ray Photon Spectroscopy, Auger Electron Spectroscopy and X-Ray Spectrometry Microanalysis. Corrosion tests are carried out at 600 and 1200 °C, for periods of up to a thousand hours in Air/H2O(g) mixtures (90/10, 80/20 and 50/50) between 5 and 10 cm. S-1, from atmospheric pressure up to 1 MPa. The influences of different experimental conditions and material-specific parameters are highlighted and discussed. In addition, modes of initiation and propagation of corrosion are proposed for each of the two materials and for each of the two temperatures studied. Finally, a theoretical approach, based on Stephan-Maxwell scattering equations and thermodynamic calculations, is developed and makes it possible to predict the order of magnitude of the degradation rates of SiC and B4C in high temperature and high pressure environments. The analytical model takes into account the inter-diffusion phenomena of gaseous species in the boundary layer located on the surface of oxidized carbon and was validated from experimental data extracted from this study and the literature.Les composites thermostructuraux à matrice séquencée SiCf/[Si, C, B]m et Cf/[Si, C, B]m sont destinés à remplacer les super-alliages dans l'architecture des parties chaudes des moteurs aéronautiques. Leur résistance à l'oxydation/corrosion a été étudiée à partir (i) de vieillissements dans des environnements à haute température et à haute pression, (ii) d'essais mécaniques post-vieillissement à température ambiante, (iii) d'analyses morphologiques post-mortem par le biais de Microscopies Optique et Electronique à Balayage et (iv) de caractérisations physico-chimiques en Diffraction des Rayons X, Microspectrométrie Raman, Spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier, Spectroscopie de Photons X, Spectroscopie d'Electrons Auger et Microanalyse par Spectrométrie de Rayons X. Les essais de corrosion sont menés à 600 et à 1200°C, pendant des durées pouvant atteindre un millier d'heures dans des mélanges Air/H2O(g) (90/10, 80/20 et 50/50) s'écoulant entre 5 et 10 cm. S-1, de la pression atmosphérique jusqu'à 1 MPa. Les influences des différentes conditions expérimentales et des paramètres propres aux matériaux sont mises en évidence et discutées. En outre, des modes d'initiation et de propagation de la corrosion sont proposés pour chacun des deux matériaux et pour chacune des deux températures étudiées. Enfin, une approche théorique, basée sur les équations de diffusion de Stephan-Maxwell et des calculs thermodynamiques, est développée et permet de prévoir l'ordre de grandeur des vitesses de dégradation du SiC et du B4C dans des environnements à haute température et à haute pression. Le modèle analytique prend en compte les phénomènes d'inter-diffusion des espèces gazeuses dans la couche limite située à la surface du carbone oxydé et a été validé à partir de données expérimentales extraites de cette étude et de la littérature

On the origin of the sigmoid shape in the UO2 oxidation weight gain curves

International audienceCracking and spalling are known to occur during the oxidation of UO2. However, these phenomena are not considered by the existing kinetic models of the oxidation of UO2 into U3O8. In this study the oxidation of UO2 samples of various sizes from the single crystal to nanopowders, has been followed by isothermal and isobaric thermogravimetry, environmental scanning electron microscopy and in situ X-ray diffraction at temperatures ranging from 250 to 370°C in air. It has been shown that cracking occurs once a critical layer thickness of intermediate oxide has been reached, which corresponds to the beginning of the sigmoid kinetic curve. Cracking contribution to the sigmoid kinetic curve is then discussed as a function of temperature, and on the basis of nucleation and growth processes