Une étude révèle le réseau tridimensionnel de pores à l'intérieur du combustible métallique uranium-zirconium

Des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT), en collaboration avec l'Idaho National Laboratory (INL), ont mené une étude d'imagerie tridimensionnelle sur du combustible métallique uranium-zirconium irradié, révélant le réseau de pores interne du combustible ainsi que ses relations avec les changements chimiques et les interactions avec la gaine du combustible. Les chercheurs estiment que ces résultats contribueront à améliorer les modèles de performance des combustibles métalliques, fournissant des références pour l'extension des cycles d'exploitation de certains réacteurs et la conception des systèmes de combustible des futurs réacteurs rapides refroidis au sodium.

L'uranium-zirconium U-10Zr est un combustible métallique en alliage d'uranium-zirconium contenant 10 % de zirconium, qui a été largement testé dans des réacteurs rapides refroidis au sodium tels que l'Experimental Breeder Reactor II (EBR-II) et la Fast Flux Test Facility (FFTF). Avec l'avancement de la recherche et du développement des réacteurs avancés, ce type de combustible métallique suscite à nouveau l'intérêt, mais les détails concernant la formation des pores, le gonflement, le transfert de chaleur et les interactions avec les matériaux de gaine dans des conditions d'irradiation en réacteur restent à clarifier.

Au cours du fonctionnement du réacteur, les atomes lourds du combustible nucléaire subissent une fission, produisant des produits de fission et générant des défauts dans les matériaux. Ces défauts affectent le gonflement du combustible, le transfert de chaleur et la migration chimique. Pour les réacteurs rapides refroidis au sodium, le combustible est généralement encapsulé dans une gaine métallique ; les interactions chimiques entre le combustible et la gaine peuvent entraîner la migration de gaz de fission et d'éléments de terres rares vers la gaine, affectant ainsi l'intégrité de la gaine et la durée de vie du système de combustible.

Les échantillons de combustible utilisés dans cette étude proviennent de la Fast Flux Test Facility. L'Idaho National Laboratory a été chargé de la gestion et de la préparation des échantillons, et l'équipe de recherche a ensuite utilisé la tomographie par rayons X synchrotron à haute énergie du Brookhaven National Laboratory (BNL) pour reconstruire en trois dimensions le combustible U-10Zr irradié, observant les variations de porosité, la morphologie des pores, la composition chimique et les interactions combustible—gaine le long du rayon du combustible.

Les résultats montrent que la porosité du combustible augmente légèrement du centre vers le bord, mais que dans la zone proche de la gaine, la densité de pores augmente de plus de deux ordres de grandeur. Les chercheurs ont également constaté que la zone centrale du combustible est dominée par de petits pores, tandis qu'en se rapprochant du bord, les pores évoluent progressivement vers des structures plus grandes, plus complexes et interconnectées. Cela diffère des modèles antérieurs qui simplifiaient les pores en formes sphériques.

Anthony Harrup, premier auteur de l'article et chercheur postdoctoral au MIT, a indiqué que la structure réelle des pores est bien plus complexe que le modèle sphérique, en particulier lorsque plusieurs pores fusionnent. Cette structure aide à expliquer la manière dont la gaine réagit et pourquoi des composants chimiques liés à la gaine peuvent être observés à l'intérieur du combustible.

L'étude a également établi un lien entre la morphologie des pores et l'environnement chimique local. L'équipe a constaté que les zones riches en uranium et les zones riches en zirconium influencent la forme des pores et leur mode de connexion. Le réseau de pores près du bord du combustible peut, d'une part, fournir des canaux pour la migration des produits de fission et des éléments de terres rares, et d'autre part, modifier le processus de transfert de chaleur, affectant ainsi les performances du combustible et sa durée de vie en service.

Ericmoore Jossou, professeur de science et d'ingénierie nucléaires au MIT, a déclaré que cette étude contribue à simuler plus précisément la distribution des pores dans le combustible et à mieux comprendre le rôle des pores dans le fonctionnement sûr des combustibles métalliques. L'équipe de recherche estime qu'à haute température, les pores interconnectés ne présentent pas nécessairement que des effets négatifs ; ils peuvent fournir des canaux pour la circulation du sodium liquide à l'intérieur du combustible, contribuant ainsi à maintenir la conductivité thermique, tout en servant également de voies de libération des gaz de fission, réduisant ainsi les contraintes internes dans la matrice du combustible.

Cette recherche a été financée par l'Office of Nuclear Energy du Département de l'Énergie des États-Unis (DOE Office of Nuclear Energy) et a utilisé les ressources du Brookhaven National Laboratory et de l'Idaho National Laboratory. Les chercheurs indiquent que si les modèles futurs intègrent la topologie tridimensionnelle des pores, cela permettra d'évaluer plus précisément les performances thermiques, la compatibilité avec la gaine et le comportement en exploitation à long terme des combustibles métalliques des réacteurs rapides refroidis au sodium.