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RÉSUMÉ
Connaître les propriétés mécaniques des combustibles irradiés est un enjeu majeur pour optimiser la gestion du parc nucléaire. Compte tenu de la taille réduite des pastilles combustibles, seules des techniques de caractérisation locales, comme la microscopie acoustique haute fréquence ou la micro-indentation, sont envisageables. Grâce à l’implantation d’un microscope acoustique dédié en cellule haute activité dans le centre de recherche européen ITU de Karlsruhe, il est possible d’extraire des données concernant le comportement élastique des combustibles jusqu’à plus de 10 ans de fonctionnement en réacteur. Donnant accès au module d’Young, à une bonne estimation de la densité, à des images de haute résolution en sous-surface, cet outil constitue un système de caractérisation standard des combustibles et matériaux irradiés.
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Auteur(s)
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Didier LAUX : Maître de conférences - Université Montpellier 2, institut d'Électronique du Sud, UMR CNRS 5214, Montpellier, France
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Gilles DESPAUX : Professeur - Université Montpellier 2, institut d'Électronique du Sud, UMR CNRS 5214, Montpellier, France
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Daniel BARON : Ex-ingénieur senior, - EDF R&D
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Vincenzo RONDINELLA : Chef de service, cellules Haute Activité, - European Commission, Joint Research Centre, Institute for Transuranium Elements (ITU), Karlsruhe, Allemagne
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Wim DE WEERD : Chargé d'expérimentations - European Commission, Joint Research Centre, Institute for Transuranium Elements (ITU), Karlsruhe, Allemagne
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Mathias LAURIE : Chef de secteur, cellules Haute Activité - European Commission, Joint Research Centre, Institute for Transuranium Elements (ITU), Karlsruhe, Allemagne
INTRODUCTION
Connaître les propriétés mécaniques des combustibles irradiés est un enjeu majeur pour optimiser la gestion du parc nucléaire. Compte tenu de la taille réduite des pastilles combustibles, seules des techniques de caractérisation locales, comme la microscopie acoustique haute fréquence ou la micro-indentation par exemple, sont envisageables. Grâce à l’implantation d’un microscope acoustique dédié en cellule haute activité dans le centre de recherche européen ITU de Karlsruhe, il est possible d’extraire des données concernant le comportement élastique des combustibles jusqu’à plus de 10 ans de fonctionnement en réacteur. Donnant accès au module d’Young, à une bonne estimation de la densité, à des images de haute résolution en sous-surface, cet outil constitue un système de caractérisation standard des combustibles et matériaux irradiés.
The knowledge of mechanical properties of irradiated fuel is necessary to improve nuclear power plants management. As fuel pellets are very small, only local characterization methods such as high frequency acoustic microscopy or micro-indentation for instance are relevant. Thanks to the introduction of a specific acoustic microscope in the European Research Centre ITU of Karlsruhe, it is now possible to obtain data concerning the elastic behavior of nuclear fuel up to more than 10 years of irradiation. This device, which can assess the Young modulus, correctly estimates the density, gives high resolution sub-surface pictures of fuel pellets now constitutes a standard characterization tool of nuclear fuel and irradiated materials.
microscopie acoustique – combustibles irradiés – taux de combustion – modules d’élasticité – densitométrie
acoustic microscopy – nuclear fuel – burnup – elastic moduli – densitometry
Domaine : imagerie ultrasonore haute résolution et caractérisation mécanique
Degré de diffusion de la technologie : maturité
Technologies impliquées : microscopie acoustique
Domaines d’application : combustibles nucléaires et matériaux irradiés
Principaux acteurs français : Institut d’Électronique du Sud (Université Montpellier 2 – CNRS) – EDF R&D
Autres acteurs dans le monde : European Commission – Joint Research Centre – ITU Karlsruhe
Contacts : [email protected] – [email protected]
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Microscopie acoustique1. Contexte général : optimisation de la gestion du parc nucléaire
Même si les centrales nucléaires à eau pressurisée fournissent une énergie considérable par rapport à d'autres types d'installation, le combustible n'est que partiellement « consommé » puisqu'au moment du recyclage seuls quelques pour-cent des atomes ont fissionné. Cette gestion du parc nucléaire, principalement dictée par des considérations d'optimisation neutronique et de sûreté, bien qu'ayant fait ses preuves au cours des années, entraîne une utilisation restreinte de l'énergie disponible que seul un recyclage du combustible est susceptible de venir améliorer.
Dans un souci de rentabilité et de minimisation du volume de déchets à recycler, EDF s'est lancée, au fil des années, dans une politique générale visant à augmenter le taux de combustion, ce qui revient à laisser le combustible plus longtemps en réacteur.
Rappelons ici que le taux de combustion (ou burn-up) représente sur un temps donné (le jour), la puissance globale (en MW) générée par unité de masse (le kg) d'atomes métalliques. Il s'exprime généralement en MWj.kg−1 même si l'on rencontre fréquemment le GWj.t−1 (par tonne de matière métallique) [IN 113]. Il exprime le degré d'utilisation du combustible. Ainsi, 10 MWj.kg−1 correspondent à la fission d'environ 1 % des noyaux dans le combustible.
Si le taux de combustion était 33 MWj.kg−1 en 1974, depuis 2008 en France, le taux de combustion maximal moyen est fixé à 62 MWj.kg−1. Autrement dit, cela signifie que le combustible – oxyde d'uranium ou oxyde mixte U-Pu (MOX) – peut rester jusqu'à six ans en réacteur, contre trois ans dans le passé.
Au-delà de ces considérations sur le taux de combustion moyen d'un assemblage, il faut bien avoir à l'esprit que le taux de combustion au sein d'une pastille n'est pas uniforme. En particulier, le taux de combustion local en périphérie de pastille est significativement plus élevé que celui au centre. Par conséquent, pour comprendre...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BRIGGS (G.A.D.), KOLOSOV (O.) - Acoustic Microscopy - Oxford. University Press (2010)
-
(2) - ROYER (D.), DIEULESAINT (E.) - Ondes élastiques dans les solides - Tome 1. Masson (1996).
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(3) - VIKTOROV (I.A.) - Rayleigh and Lamb waves - Plenum, New-York (1967).
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(4) - MAEV (R.Gr.) - Acoustic Microscopy - Wiley-VCH (2008).
-
(5) - BAILLY (H.) et al - Le combustible nucléaire des réacteurs à eau sous pression et des réacteurs à neutrons rapides - Série Synthèse. Éditions. Eyrolles (1996).
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(6) - REYNOLDS (A.B.) - Bluebells and nuclear energy - Cogito Books (1996).
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