Bibliographie & annexes
Présentation
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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Combustible en réacteur : rappels2. Microscopie acoustique
2.1 Éléments de base concernant la mécanique et les ultrasons
Dans le cadre de l'élasticité linéaire , on relie les contraintes imposées au matériau aux déformations induites au moyen de tenseurs qui comportent 81 coefficients notés : Cijkl. La connaissance de ces coefficients détermine totalement le comportement élastique du matériau. Pour des raisons de symétrie, de particularités cristallographiques, le nombre de coefficients peut être largement réduit. Dans le cas des combustibles classiques frittés des centrales nucléaires de type REP comme UO2 ou MOX (combustible (U, Pu)O2), étudiés sur des zones de quelques centaines de microns, le comportement mécanique peut être supposé isotrope. En effet, compte tenu de la petite taille des grains (de 1 à 10 µm), de leur orientation aléatoire et du grand nombre de grains pris en compte lors de la mesure effectuée par microscopie acoustique, aucune direction n'est privilégiée. Dans ce cas, seuls deux coefficients élastiques sont nécessaires. On peut choisir les deux constantes de Lamé λ et µ ou les modules d'Young et de cisaillement (E et G). Le module d'Young E relie la contrainte de traction appliquée perpendiculairement à une face à l'élongation de l'échantillon. Le module de cisaillement quantifie la déformation angulaire d'un échantillon soumis à une contrainte tangentielle. On a souvent pour habitude de définir d'autres constantes, comme le coefficient de Poisson ν et le module de compressibilité K. Le coefficient de Poisson caractérise le rétrécissement de section d'un échantillon soumis à une traction tandis que le module de compressibilité K relie la variation de volume d'un échantillon soumis à une pression hydrostatique.
Lors de leur propagation dans la matière, les ondes ultrasonores « reproduisent » à l'échelle microscopique les essais de traction ou cisaillement macroscopiques réalisés pour évaluer E et G de façon classique ...
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Microscopie acoustique
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BRIGGS (G.A.D.), KOLOSOV (O.) - Acoustic Microscopy - Oxford. University Press (2010)
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(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).
-
(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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