Conséquences de l’interaction chimique d’un gainage en composite SiC/SiC vis-à-vis du combustible et du sodium sur son comportement thermomécanique dans.

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1 Conséquences de l’interaction chimique d’un gainage en composite SiC/SiC vis-à-vis du combustible et du sodium sur son comportement thermomécanique dans un réacteur nucléaire a James BRAUN, b Christine GUENEAU, a Cédric SAUDER, c Fanny BALBAUD a - CEA SACLAY -DEN/DANS/DMN/SRMA/LTMeX b - CEA SACLAY -DEN/DANS/DPC/SCCME/LM2T c - CEA SACLAY -DEN/DANS/DPC/SCCME/LECNA En collaboration avec Christian CHATILLON CEA Saclay - DEN/DANS/DMN/SRMA/LTMeX - 8ème Séminaire THT – Bordeaux 11/01/2012

2 Plan de la présentation
Introduction Interactions UO2/SiC : Bibliographie Simulations sous Thermocalc Expérience de faisabilité Interactions Liner/SiC : Calculs thermodynamiques Plan d’action CEA Saclay - DEN/DANS/DMN/SRMA/LTMeX - 8ème Séminaire THT – Bordeaux 11/01/2012

3 Intérêt du Carbure de Silicium dans les réacteurs
Réacteur Gen-4 (Sodium liquide, gaz, …) : besoin de matériaux satisfaisants aux conditions suivantes : Point de fusion élevé Conductivité thermique élevée (supérieure à 10W/m/K) à la température de fonctionnement et sous irradiation Transparent aux neutrons Etanche aux produits de fission Bonne tenue au gonflage et au fluage Le Carbure de Silicium est un bon candidat. Cependant, il est fragile  Amélioration des propriétés mécaniques en utilisant des composites SiC/SiC Les composites ne peuvent assurer une étanchéité parfaite : pose d’un liner entre deux couches de composite SiC/SiC CEA Saclay - DEN/DANS/DMN/SRMA/LTMeX - 8ème Séminaire THT – Bordeaux 11/01/2012

4 Etude de la compatibilité :
Intérêt de la thèse Géométrie crayon Milieu extérieur à la gaine (Na(l) ou eau) Composite SiC/SiC Liner Combustible (UO2 ou MOX) Etude de la compatibilité : Carbure de Silicium/Oxyde d’Uranium Carbure de Silicium / Liner (Tantale ou alliage Niobium – Zirconium) Carbure de Silicium / Sodium liquide Coupe transversale Coupe longitudinale CEA Saclay - DEN/DANS/DMN/SRMA/LTMeX - 8ème Séminaire THT – Bordeaux 11/01/2012

5 Cinétique de production des gaz
Interactions UO2 / SiC Peu de documentation sur le sujet Oxydation du SiC dépend de la pression partielle en O2, i.e. de la stœchiométrie de UO2±x et de T [Salomon et al. 05] [Allen et al. 72] rapporte les réactions suivantes au-delà de 1373°C entre UO2 et SiC : Les mêmes produits apparaissent sous vide et sous flux d’argon (système ouvert). UO2 + 2 SiC ↔ USi2 + 2 CO UO2 + 2 SiC ↔ UC2 + 2 SiO USi2 ↔ USi1,67 + 0,33 Si 5 Si + 3 UC2 ↔ U3C3Si2 + 3 SiC UO2 + 3UC2 ↔ 4 UC + 2 CO Formation des phases de UC et UC2 plus importante par rapport aux siliciures si le CO peut s’accumuler (système fermé) Cinétique de relâchement de CO et SiO sous vide et sous argon Cinétique : vitesse de réaction indépendante du ratio molaire de SiC/UO2 [1-4] et de la taille des particules [7-53µm] Cinétique de production des gaz CEA Saclay - DEN/DANS/DMN/SRMA/LTMeX - 8ème Séminaire THT – Bordeaux 11/01/2012

6 Interactions UO2 / SiC [Tulenko et al. 07] : pas de réaction à 1300°C mais à 1650°C (formation USi1,88) [Lippmann et al. 00] : Argon avec gaz qui peuvent s’échapper (système ouvert): T < 1855°C ; t=10min  zone de réaction < 5 µm T = 2000°C ; t=15min  zone de réaction importante (  80 µm) Formation de USix , légèrement UC, UO2 , SiC Enrichissement des zones aux bords de la couche de réaction en O Épaisseur de la zone de réaction  de haut en bas du crayon (p(CO), p(SiO)) Vapeur d’eau, pastille de SiC refermant UO2 Pas de réaction jusqu’à 1800°C CEA Saclay - DEN/DANS/DMN/SRMA/LTMeX - 8ème Séminaire THT – Bordeaux 11/01/2012

7 Calculs thermodynamiques UO2/SiC - FUELBASE
Composition initiale : x(UO2,15) = 0.34 et n(SiC)= 0.66 Plage de détection des gaz du spectromètre T < 1420 K – UO2, SiC, SiO2 (Quartz + Tridymite), C 1420 K < T < 1810 K – UO2, SiC, C, Liquide 1810 K < T < 2105 K – UO2, SiC, Liquide, Gaz 2105 K < T < 2325 K - UO2, SiC, Liquide, Gaz T > 2325 K - UO2, Liquide , Gaz, UC Composition des phases liquides et gazeuses en Annexe Les gaz prédominants sont par ordre d’importance le CO, le SiO et le CO2 qui sont les trois espèces mesurables au spectromètre Très forte pression de CO – Problèmes d’intervalle de température au spectromètre CEA Saclay - DEN/DANS/DMN/SRMA/LTMeX - 8ème Séminaire THT – Bordeaux 11/01/2012

8 Premiers résultats expérimentaux
Expérience de faisabilité Mélange manuel de poudres d’UO2,15 et de SiC (1:2 molaire) dans un creuset en C(gr) recouvert d’une couche de SiC de quelques nanomètres La confirmation de la stœchiométrie de l’oxyde d’uranium sera prochainement mesurée par détermination du gain de masse après oxydation (3UO2±x + (9-3/2.x)O2  U3O8) Augmentation de 1°C/s à différents paliers de température : 300°C : 5 min 500°C : 5min 1500 °C : 5h45 Mesure au spectromètre : Intensité du signal à 28g/mol (CO + N2) Intensité du signal à 44g/mol (CO2 +SiO) Energie d’ionisation de 15eV pour éviter la dissociation de SiO Composition initiale : m(UO2,15) = g ; x(UO2,15) = 0.34 m(SiC) = g ; x(SiC)= 0.66 CEA Saclay - DEN/DANS/DMN/SRMA/LTMeX - 8ème Séminaire THT – Bordeaux 11/01/2012

9 Montage expérimental CEA Saclay - DEN/DANS/DMN/SRMA/LTMeX - 8ème Séminaire THT – Bordeaux 11/01/2012

10 Premiers résultats expérimentaux
Quasi-stabilisation en fin d’expérience Densification de l’échantillon Fort dégagement de CO (section ionisation beaucoup plus faible pour CO que pour SiO) Perte de masse importante de l’échantillon (18,3%) Présence d’inclusions métalliques

11 Interactions Liner/SiC
Deux types de liner envisagés : Tantale (Ta) Niobium – 1% Zirconium (Nb1Zr) Ces éléments présentent une ductilité qui permet une application facile Epaisseur de la zone de réaction : e2 = k . t (Fick) Des études ont été réalisées sur la compatibilité avec les métaux purs par [Naka et al. 87] : Nb 1200°C  SiC/NbC/Nb5Si3Cx/Nb5Si3/Nb3SiCX/Nb2C/Nb 1517°C  SiC/NbC/Nb5Si3Cx/NbC/Nb2C/Nb Ta 1500°C  SiC/TaC/Ta5Si3Cx/Ta2C/Ta Les zones de réactions sont respectivement de 0,5µm et 0,6µm pour le Ta et le Nb en contact avec le SiC pour t=4h à 1300°C. SiC – M-Carbide – Ternaire – M-Carbide – M

12 Interactions Liner/SiC
[Yaney et al. 90] : t=4h sous vide, observation par Auger 800°C  diffusion de C et O dans Nb 1100°C  forte réaction entre Nb et SiC TEM (imagerie, diffraction électronique, EDX) : même phases que Naka et al. avec apparition : SiO2 amorphe, NbO, Nb5Si4C C(gr) cohérent avec système Si-C-O Les études réalisées par [Gueneau et al. 10] montrent par microsonde électronique : Pour Ta, il y a plus de phases en présence au niveau de l’interface Ta – SiC avec, à 1800°C : SiC/TaC/Ta5Si3Cx/TaC1-x/Ta5Si3C/Ta2C/Ta + précipité de Ta2C Pour Nb1Zr, le chemin de diffusion est semblable à celui de [Naka87] avec, à 1800°C : SiC/NbC/Nb5Si3C/NbC/(Nb2C + NbC )?/(Nb,Zr) + précipités de Nb2C Ta Ta2C Nb SiC Ta5Si3Cx Nb5Si3Cx TaC1-x Ta5Si3Cx NbC + Nb2C Nb Zr TaC Précipité CEA Saclay - DEN/DANS/DMN/SRMA/LTMeX - 8ème Séminaire THT – Bordeaux 11/01/2012

13 Points rouges : microsonde électronique
Calculs thermodynamiques Liner/SiC Coupes isotherme à 1800°C des systèmes Ta-Si-C et Nb-Si-C avec la FUELBASE sous Thermocalc Points rouges : microsonde électronique Points bleus : profil de concentration dans l’épaisseur des couches réactionnelles CEA Saclay - DEN/DANS/DMN/SRMA/LTMeX - 8ème Séminaire THT – Bordeaux 11/01/2012

14 UO2 / SiC (DPC/SCCME/LM2T) : Liner / SiC (DMN/SRMA/LTMeX) :
Plan d’action UO2 / SiC (DPC/SCCME/LM2T) : Essais sur des poudres de différentes stœchiométries : 2, 2,06 et 2,15 Mesure des couples de diffusion entre une pastille d’UO2 et une pastille de SiC Liner / SiC (DMN/SRMA/LTMeX) : Couples de diffusion entre le SiC et Ta, Nb et Nb1Zr Etude de l’interface entre le composite SiC/SiC et le liner après différents traitements thermiques tel qu’il est envisagé de l’appliquer Na/SiC (DPC/SCCME/LECNA) : Etude bibliographique Nettoyage des échantillons Expériences : SiC dans Na liquide à des durées différentes CEA Saclay - DEN/DANS/DMN/SRMA/LTMeX - 8ème Séminaire THT – Bordeaux 11/01/2012

15 Bibliographie Allen et al G. C. Allen, J.A. Crofts and T. Swan – The high temperature reactions between uranium dioxide and silicon carbide – Central Electricity Generating Board, Berkeley, Gloucestershire, U.K Gueneau et al Christine GUENEAU, Alexandre BERCHE, Thierry ALPETTAZ, Stephane GOSSE, Sylvie CHATAIN, Cécile BLANC, Emmanuelle BRACKX, Olivier DUGNE, Cyril RADO, Jacques LECHELLE, Fabienne AUDUBERT – Synthèse et analyse des essais de thermochimie vis-à-vis du comportement du combustible RCG, orientation sur le choix des matériaux, N.T Lippmann et al W. Lippmann , J. Knorr, R. Nöring, M. Umbreit - Investigation of the use of ceramic materials in innovative light water reactor – fuel rod concepts. Nuclear Engineering and Design 205 (2001) 13–22 Naka et al M. Naka, T. Fukai and J.C. Schuster – Reaction phases and diffusion paths in SiC/Metal systems Salomon et al A.A. Solomon, S. Revankar, J.K. McCoy – Enhanced Thermal Conductivity Oxide Fuels - PhD Thesis at Purdue University Tulenko et al J.S. Tulenko, R.H. Baney – An innovative high thermal conductivity fuel design – PhD Thesis at The University of Florida Yaney et al D. L. Yaney and A. Joshi - Reaction between niobium and silicon carbide at 1373 K - J. Mater. Res., Vol. 5, No. 10, Oct 1990 CEA Saclay - DEN/DANS/DMN/SRMA/LTMeX - 8ème Séminaire THT – Bordeaux 11/01/2012

16 Annexe Temp. 1500 K 1700 K 1900 K 2150 K 2400 K Liquide Gaz C : 0,0 %
Si : % O : 66.6 % U : 3.4 % C : 0.2 % Si : 28.1 % O : 66.5 % U : 5.2 % C : 0.3 % Si : 25.9 % O : 66.5% U : 7.3 % Si : 97.4 % O : 2.4 % U : 0.2 % C : 10.8 % Si : 56.9 % O : 0,0 % U : 32.3 Gaz / CO : 97.4 % SiO : 2.6 % CO : 50.0 % SiO : 50.0 % CO : 82.1 % SiO : 17.9 % CEA Saclay - DEN/DANS/DMN/SRMA/LTMeX - 8ème Séminaire THT – Bordeaux 11/01/2012