L'Idaho National Laboratory et le MIT révèlent la distribution de la porosité du combustible U-10Zr

fr.wedoany.com Rapport : L'Idaho National Laboratory et le Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont mené conjointement une étude tridimensionnelle des régions radiales du combustible U-10Zr (alliage d'uranium à 10 % de zirconium) après irradiation, révélant le comportement de gonflement, les caractéristiques de transfert thermique et les mécanismes d'interaction avec la gaine du combustible de ce matériau après son fonctionnement en réacteur. L'alliage U-10Zr a été largement utilisé dans les essais de combustible des réacteurs rapides refroidis au sodium par le passé et est actuellement considéré comme un matériau candidat pour les combustibles des réacteurs avancés de prochaine génération.

Selon le MIT, les échantillons étudiés proviennent de combustibles utilisés dans le réacteur de l'installation d'essais à flux rapide (Fast Flux Test Facility, FFTF). Ce réacteur a fonctionné de 1982 à 1992 sur le site de Hanford, dans l'État de Washington. Les expériences ont été menées au Brookhaven National Laboratory, où l'équipe a utilisé la tomographie par rayons X à haute énergie issue d'un synchrotron pour analyser le réseau de pores formé dans les conditions d'irradiation ainsi que les modifications chimiques du combustible.

Ericmoore Jossou, professeur au MIT, a indiqué que cette étude permet de simuler plus précisément la distribution des pores dans le combustible et d'approfondir la compréhension du rôle des pores, ce qui peut soutenir la conception d'une exploitation sûre des combustibles métalliques pour réacteurs. Dans une étude antérieure publiée en 2020, une équipe de l'Université Purdue avait réalisé la première caractérisation tridimensionnelle du U-10Zr irradié, en étudiant de minuscules échantillons extraits d'une barre de combustible FFTF, déterminant que 7,2 % du volume de cet échantillon de combustible était constitué de pores et identifiant trois régions de phases d'uranium : appauvrie, intermédiaire et enrichie.

Cette nouvelle étude a prélevé des échantillons à plusieurs emplacements sur toute la section transversale du combustible, en sélectionnant quatre zones présentant des teneurs en zirconium variables. Les chercheurs ont bombardé les échantillons avec des rayons X à haute énergie et observé les modifications résultant de leurs interactions, reconstruisant en trois dimensions le réseau de pores à l'intérieur du combustible et déterminant l'évolution de la porosité, de la composition chimique et de l'interaction combustible-gaine le long du rayon du combustible.

Selon le MIT, les résultats montrent que la porosité augmente modérément du centre du combustible vers le bord, tandis que dans la région périphérique du combustible proche de la gaine, la densité de pores connaît un saut de plus de deux ordres de grandeur. La caractérisation de la taille et de la forme des pores indique que les petits pores de la région centrale s'étendent vers l'extérieur, formant progressivement un vaste réseau de pores orienté vers le bord du combustible.

Jossou a expliqué que les produits de fission, notamment les gaz et les lanthanides, migrent vers la gaine et réagissent avec celle-ci, provoquant sa fragilisation et endommageant le système de combustible ; le réseau de pores favorise ce processus. Cependant, l'étude montre également qu'à haute température, les pores peuvent servir de canaux d'écoulement pour le sodium liquide, améliorant le transfert de chaleur ; les pores interconnectés peuvent également servir de voies de libération des gaz de fission, atténuant les contraintes internes de la matrice du combustible.

Anthony Harrup, chercheur postdoctoral au MIT, a souligné que dans les modèles actuels, les pores sont simplifiés en sphères, mais la réalité est bien plus complexe, en particulier lorsque de nombreux pores fusionnent ; ce phénomène est observé sur tout le trajet du centre du combustible vers la gaine, ce qui explique les réactions spécifiques de la gaine et la présence de substances chimiques de la gaine dans le combustible.

Les chercheurs estiment que le nombre de pores et leur distribution sont des facteurs essentiels pour comprendre les performances et la durée de vie du combustible. Des écarts existent entre les observations expérimentales et les modèles existants de formation des pores et de gonflement du système de combustible ; ces informations sur les écarts devraient permettre d'améliorer les méthodes de simulation, favorisant ainsi l'extension de la durée de vie d'exploitation des réacteurs.

Harrup a indiqué que grâce à des méthodes avancées d'imagerie computationnelle, cette étude établit un lien entre l'environnement chimique local et la formation des pores, révélant l'influence des environnements riches en uranium ou en zirconium sur la morphologie des pores et la structure des canaux, un phénomène jamais rapporté auparavant. Dong Liu, professeur à l'Université d'Oxford (non impliqué dans cette étude), a salué ces travaux en déclarant qu'ils établissent un lien entre la porosité tridimensionnelle et les performances thermiques du combustible, un résultat impressionnant. Tiankai Yao, chercheur à l'Idaho National Laboratory, a déclaré que l'observation directe en trois dimensions de la connectivité des pores et de l'interaction combustible-gaine fournit une référence importante pour l'amélioration des performances des combustibles métalliques avancés pour réacteurs rapides refroidis au sodium.