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Dossier sur le combustible nucléaire

Au coeur du combustible irradié


Pour qualifier un combustible nucléaire, les chercheurs étudient son comportement sous irradiation. Pour cela, ils bénéficient d’importants dispositifs expérimentaux et de micro-analyse. D’eux dépend la validation des innovations pour augmenter ses performances et sûreté.

Publié le 25 juillet 2016

Pourquoi caractériser les combustibles nucléaires ?

« Il ne faut pas se le cacher, les combustibles irradiés contiennent des produits extrêmement radiotoxiques. Notre laboratoire est conçu en conséquence : toute la chaîne de caractérisation s’effectue dans des cellules blindées aux parois de béton épaisses d’un mètre avec des hublots de verre au plomb encore plus épais. Et tout se fait en télémanipulation », prévient Jean Noirot, ingénieur au CEA.

Car de cette caractérisation « post-irradiation » dépendent de nombreuses innovations. Par exemple, les équipes ont développé un combustible pour le RJH en imaginant un matériau à base d’uranium métallique allié à du molybdène (UMo), elles l’ont irradié dans Osiris puis rapatrié pour analyse à Cadarache : « nous avons alors découvert un phénomène d’interdiffusion entre la matrice et le combustible ainsi que la formation de cavités à certaines interfaces qui ont conduit le combustible à se déchirer. Si cela avait été repéré lors des premiers examens in situ dans Osiris, notre analyse a confirmé que le choix initial devait être remis en cause, ce qui fait qu’un combustible plus classique a été choisi pour le démarrage du RJH. Même si des recherches se poursuivent sur le combustible innovant, dans un cadre international », détaille Jean Noirot.



Outils d'observations microscopiques
de la tenue du combustible

Pour atteindre de tels niveaux d’informations, dans cet environnement extrême, les équipes du CEA disposent de moyens sophistiqués. En premier lieu, des microscopes optiques adaptés à l’examen d’objets radioactifs livrent des données métallo-céramographiques qui révèlent les fissures et la porosité du matériau irradié ainsi que l’existence de précipités de produits de fission.
Observation des bulles de gaz de fission des grains d’oxydes d’uranium irradiéObservation des bulles de gaz de fission des grains d’oxydes d’uranium irradié © CEA

Cratère formé artificiellement pour pouvoir analyser les gaz contenus dans les bullesCratère formé artificiellement pour pouvoir analyser les gaz contenus dans les bulles © CEA
« La porosité est un phénomène important, à la fois pour la vie du combustible, son comportement en condition accidentelle et son stockage avant retraitement », explique le chercheur. Des microanalyses sont également mises en œuvre avec des appareils comme une microsonde électronique.

Principe : focaliser un faisceau d’électrons sur l’échantillon poli qui réagit en émettant des rayons X dont l’analyse par spectromètre révèle la nature des éléments présents. Cela permet une analyse locale de la composition du combustible. « On peut ensuite casser la pastille pour voir la surface des grains, les joints ou les bulles sans la modification induite par le polissage », poursuit Jean Noirot. « Voir » signifie en l’occurrence observer au microscope électronique à balayage. Dans les mois à venir, le CEA se dotera également d’un microscope électronique à transmission, outil très utilisé pour la caractérisation des matériaux qui a déjà démontré sa pertinence sur des combustibles non irradiés. Grâce à lui, des informations à l’échelle du nanomètre seront accessibles.

Toutes ces données, et bien d’autres encore, quantitatives ou qualitatives, servent ainsi à évaluer de plus en plus finement les mécanismes pilotant le comportement du combustible, et à donner des points de comparaison pour les modèles les reproduisant.