Fission Products behaviour in irradiated (U,Pu)O2 fuel : manufacturing and analysis of SIMMOx

Étude du comportement des produits de fission dans les combustibles (U,Pu)O2 : fabrication et caractérisation de SIMMOx Dans le contexte du cycle du combustible nucléaire, les oxydes mixtes Uy-1PuyO2-x (MOx) sont actuellement les combustibles les plus utilisés. Ces matériaux doivent répondre à des propriétés physico-chimiques précises, qui évoluent par la suite radicalement au cours de l'irradiation, notamment avec la formation de produits de fission (PF). L'étude du comportement des produits de fission est donc cruciale pour prédire l'évolution des propriétés du combustible pendant l'irradiation. Des matériaux modèles à base d'uranium, appelés SIMfuel, ont été mis au point au cours des dernières décennies pour surmonter la forte radiotoxicité du combustible irradié et discriminer les effets des différents PF sur sa chimie, par ailleurs extrêmement compliquée. Le dopage de UO2 avec certains isotopes stables du PF réduit considérablement le risque radiologique, mais l'interaction complexe entre le Pu et les PF ne peut pas être prise en compte. C'est pourquoi nous avons mis au point une méthode de fabrication du SIMfuel U1-yPuyO2-x (SIMMOx), afin d'étudier la spéciation des PF à l'intérieur du combustible MOx. Le matériau obtenu est représentatif du combustible MOx irradié avec une teneur en Pu de 24 % en masse et un taux de combustion de 13 % masse. Afin d'extraire des informations approfondies sur la spéciation des actinides et des PF, nous avons étudié les échantillons SIMMOx par le biais d'une approche multi-échelle, en caractérisant ses propriétés structurales, sa microstructure (échelle du µm) et l'environnement atomique de chaque élément. La radiotoxicité réduite de ces échantillons nous a permis d'utiliser des techniques synchrotron puissantes, qui ne sont traditionnellement pas disponibles pour le combustible irradié. Grâce au couplage d'une telle variété de techniques, nous avons pu dresser un tableau complet de la spéciation des PF à l'intérieur du combustible MOx irradié. Tout d'abord, nous avons observé les effets des PF solubles (Ce, La, Nd, Y, Sr, Zr) sur la solution solide (U,Pu,PF)O2, qui provoquent par exemple une légère oxydation des actinides. Ensuite, nous nous sommes concentrés sur la spéciation des précipités métalliques et oxydes, dont l'analyse a nécessité la conception d'un protocole permettant de réaliser en toute sécurité des mesures SP-XRD sur des échantillons contenant du Pu. Nous avons déterminé que l'ajout de Ba dans le système entraîne la formation d'inclusions de pérovskite, ainsi que l'oxydation d'une fraction de l'inventaire de Mo, et donc un changement dans la spéciation des phases blanches. Une description aussi complète de la spéciation des PF n'a été possible que grâce au couplage multi-échelle de plusieurs techniques, dont certaines ne sont pas facilement disponibles pour les études sur les combustibles irradiés. En outre, la possibilité de concevoir des lots d'échantillons de compositions variées permet de déterminer l'effet des différentes familles de PF sur l'ensemble du système, en réalisant de véritables études de séparation des effets, ce qui est impossible à faire sur les MOx irradiés. Dans ce contexte, l'importance et le potentiel de SIMMOx pour étudier les propriétés du MOx irradié apparaissent donc clairement.