Les combustibles “cible de transmutation”

Atelier GEDEPEON - NOMADE
Etudes GdR NOMADE
MATERIAUX pour la TRANSMUTATION
Etudes du GdR NOMADE
Michel Beauvy
Commissariat à l’Energie Atomique, Direction de l’Energie Nucléaire,
Centre d’Etudes de Cadarache, St Paul lez Durance, France
[email protected]
GdR GEDEPEON-NOMADE
Paris 21-22 Novembre 2005
1
Introduction
• Objectifs de la transmutation des déchets nucléaires
Diminuer la radiotoxicité sur le long terme en transformant
les isotopes à vie longue en isotopes stables ou à durée de
vie nettement plus courte
de combien : 90%? 99,99%?; durée de vie courte:<300ans?
• Radio-isotopes et quantités (58 + 1 réacteurs en France)
Actinides (≠ Pu et U) Am, Np, Cm; 99Tc, 129I, 134Cs
transmuter tous les isotopes?
Par an: 237Np=600kg; 241Am=220kg; 244Cm=14kg; 245Cm=1kg;
99Tc=920kg; 129I=220kg; 135Cs=440kg
• Principe : la fission
Fissionner les isotopes radiotoxiques en P.F.
minimiser Cs, I, Tc issus des fissions
Utilisation des neutrons = fissions + captures
captures à minimiser
neutrons rapides mieux adaptés : disponibilité des outils?
GdR GEDEPEON-NOMADE
Paris 21-22 Novembre 2005
2
Contexte de la transmutation
• Modes de transmutation envisagés
dans des réacteurs du parc :
Homogène : dilution des « déchets » dans le combustible
Hétérogène : concentration des « déchets » dans des cibles
dans des réacteurs dédiés :
concentration des « déchets » dans le combustible (ADS)
compatibilité avec le parc de réacteur? cible once through?
• Isotopes et modes étudiés
Am: modes homogène et hétérogène en RNR, combustible ADS
Np : mode homogène RNR; 99Tc et 129I : mode hétérogène;
Cm? quantités, mise en oeuvre, et 135Cs ? mise en oeuvre
• Eléments de physique
Homogène en REP : limité à 2% actinides « déchets »
+ production importante d’actinides supérieurs
Homogène en RNR : jusqu’à 5% actinides « déchets »
+ rapport capture/fission plus faible en spectre rapide (/15)
GdR GEDEPEON-NOMADE
Paris 21-22 Novembre 2005
3
INCINERATION par TRANSMUTATION
Etudes avec Am, Np, Tc
Mode hétérogène:
Am, Tc, I (Cm, Cs?)
combustible standard
Mode homogène (dilution) :
Np, Am
dans un combustible
(RNR de préférence, GEN IV)
GdR GEDEPEON-NOMADE
«cibles»
Concentration
moyenne ou
élevée
= matrice inerte
+ déchets
« ADS »
Concentration élevée dans
le «combustible» pour
réacteur dédié: Am (Cm?)
Paris 21-22 Novembre 2005
Modes de transmutation : REX
• Modes homogène
Combustibles avec actinide dilué : faible teneur
REX : important avec oxydes et Pu (RNR et REP/MOX)
transmutation Np et Am démontrée en réacteur
futur (Génération IV, …) : nitrures, carbures, oxydes
difficultés pour la fabrication (radioactivité Am)
• Mode hétérogène
Cibles de Tc: simplicité mais irradiation d’alliages très longue
Cibles d’actinide: actinide + matrice inerte (composite/sol.sol)
faisabilité scientifique démontrée :
100% Am transmuté après 2ans irradiation EFFTRA T4
mais 30% de captures / once through (= taux de fission >90%)
et matrice inerte à optimiser pour faisabilité technique
• Coeur de réacteur dédié
Combustible pour ADS (programme int. FUTURE/CONFIRM)
Irradiation dans PHENIX et BOR 60 :
Am: alliages, oxydes dans MgO ou Mo, nitrures; Cm?
GdR GEDEPEON-NOMADE
Paris 21-22 Novembre 2005
5
Irradiations en réacteurs
• Outils et conditions expérimentales
OSIRIS (F) et HFR (NL) type Réacteur à Eau
PHENIX (F), BOR 60, JOYO (J) et MONJU (J) type RNR-Na
faible disponibilité, manque cruel de moyens d’irradiation
Validation réelle de la transmutation
mais
Représentativité du réacteur utilisé?
Processus très long (> 7ans) et investigations limitées
Difficultés d’adaptation / évolution des connaissances
• Exemple de « décalage »
1991-1998: choix de matrices →1-MgAl2O4; 2-MgO; 3-CeO2
1993-2004: irradiation avec MgAl2O4; → gonflement aléatoire
1998- ? : irradiations avec MgO et ZrO2 ; résultats 2006
⇒ pas de modélisation prédictive
• Irradiations en réacteur : conclusions
présélection des matrices et irradiations de validation
GdR GEDEPEON-NOMADE
Paris 21-22 Novembre 2005
6
Comportement de cibles en réacteur : exemples
Gonflement de MgAl2O4 : de – 2% à + 18% ?
Gonflement de MgO?
: de – 1,5% à ?
GdR GEDEPEON-NOMADE
Paris 21-22 Novembre 2005
7
Démarche expérimentale pour développer les cibles:
rôle de NOMADE pour les matrices inertes
• 1 – Définition des critères matériaux et présélection
sections efficaces, conductivité thermique, stabilité chimique,
stabilité sous irradiation?
• 2 – Vérification de la faisabilité scientifique
irradiations en réacteurs
• 3 – Etude des propriétés et des dommages d’irradiation
modèles prédictifs basés sur les mécanismes en jeu,
simulation expérimentale de l’irradiation,
contribution « mécanismes d’endommagement » rapport 2006
• 4 – Validation de cibles en réacteur et optimisation
faisabilité technique
• 6 – Industrialisation
GdR GEDEPEON-NOMADE
Paris 21-22 Novembre 2005
8
Dommages d’irradiation dans les matrices inertes
rayonnements : neutrons (E<5MeV), PF (E=100MeV), α (E=5MeV)
interactions particules - matière :
neutron→ions (E<200keV)
interactions électroniques + interactions nucléaires + implantation
ion (E>100keV)
ion (E<100keV)
MgO, Xe91MeV
ion (E=0)
MgO, He 3MeV
• 1 – Interactions électroniques (pouvoir d’arrêt électronique) :
défauts ponctuels, amorphisation, gonflement, taille de grains
• 2 – interaction nucléaire (pouvoir d’arrêt nucléaire) :
défauts ponctuels, gonflement, propriétés mécaniques
• 3 – implantation : PF et He
GdR GEDEPEON-NOMADE
Paris 21-22 Novembre 2005
9
Dommages d’irradiation dans les matrices inertes
Dommages par PF > Dommages par α >> Dommages par neutrons
Simulation expérimentale (accélérateurs de particules):
Produits de Fission: ions lourds énergétiques, <10 µm irradiés
α : ions légers E<5MeV, <20 µm irradiés
neutrons : ions de basse énergie (E<200keV), < 1µm irradié
Avantages & inconvénients
• pratiquement pas d’activation = investigations fines;
• obtention très rapides des résultats;
mais
• faibles épaisseurs irradiées et hétérogène en profondeur
• fluences relativement limitées (<1017ion/cm2)
GdR GEDEPEON-NOMADE
Paris 21-22 Novembre 2005
10
Dommages d’irradiation
Défauts Ponctuels : centres colorés
MgO irradié par 2.1013 Kr 430MeV
MgAl2O4, MgO, Al2O3 , ZrO2
à 550°C
irradiés par 4,5.1015 Xe 90MeV
à 25°C
GdR GEDEPEON-NOMADE
Paris 21-22 Novembre 2005
11
Dommages : gonflement
Gonflement après irradiation en réacteur : -2% à +20%?
Matrix
Profile step, µm
Swelling, %
dE/dxmax., keV/nm
MgO
1
>10
19
MgAl2O4
16
>130
18
ZrO2
12
>20
21
Al2O3
<1
>10
20
Simulation des PF
Gonflement après irradiation à 25°C
par 5x1015 129Xe 91MeV/cm2
lattice parameter, A
MgAl2O4 irradiated 1014 ion/cm2
8,08
8,075
8,07
8,065
8,06
8,055
8,05
8,045
8,04
0
5
10
15
dE/dx, keV/nm
paramètre de maille du spinelle irradié en
fonction du pouvoir d’arrêt électronique
GdR GEDEPEON-NOMADE
Gonflement du spinelle irradié
par I 72MeV (T. Wiss)
Paris 21-22 Novembre 2005
12
Gonflement : Dommages
MET: pas de cavités, amorphisation
440
400
400
044
Surface
~30µm
35µm
(011)
MgAl2O4 irradié par
900 MeV/cm2, à 25°C (CECM)
5.1013 208Pb
GdR GEDEPEON-NOMADE
Spinelle irradié par
1013 S 430MeV/cm2
(CECM)
Zircone irradiée à 25°C
par 1016 Cs 150 keV/cm2
(CSNSM)
Simulation des neutrons
et des PF :
anneaux diffus attribués
aux phases amorphes
Paris 21-22 Novembre 2005
13
Dommages (simulation des PF) : Amorphisation
DRX : amorphisation (> seuil pouvoir d’arrêt électronique)
Diffraction des rayons X en incidence
rasante sur spinelle irradié à 25°C par
1014 Kr 412MeV/cm2 (thèse Dodane) :
amorphisation pour dE/dx > 7keV/nm
Pas d’amophisation observée pour MgO irradié aux ions?
GdR GEDEPEON-NOMADE
Paris 21-22 Novembre 2005
14
Dommages dans les phases amorphes
Etude sur les verres aluminosilicatés azotés (simulation des PF):
plasticité et gonflement anisotrope (thèse R. Daucé)
Evolution des propriétés mécaniques
des verres irradiés aux ions
Spectre RMN sur l’aluminium de verres du système
Y-Mg-Si-Al-O-N irradiés avec des ions Sn de 970MeV
Composition
Ion
dE
(keV.nm -1)
dX
Fluence φ.t
(ions.cm-2)
∆ H Meyer
H Meyer
(%)
∆E
(%)
E
∆ K IC
(%)
K IC
GdR GEDEPEON-NOMADE
LaYO
36
S
MgYN
86
Kr
LaYN
36
S
≈2
≈8
≈2
10 12
5.10 13
10 15
aucun
-33
-29
aucun
-32
-32
-
+43
-
Paris 21-22 Novembre 2005
15
Défauts Ponctuels et mécanismes :
pouvoir d’arrêt nucléaire
Taux de délocalisation des éléments (RBS canalisée, thèse A. Gentils)
Simulation des neutrons ou des PF : effet de seuil (fluence) et ≠ stades
1,0
1,0
Stade 4
MgAl2O4
ZrO2
stade 3
0,8
stade 2
Stade 3
0,6
1.0
0,6
0,4
Stade 2
0,4
0,2
stade 1
0,2
Mg
Al
O
Stade 1
0,0
0,25
0,5
1
2,5
5
10
0,0
1014
1015
ACCUMULATED DAMAGE (fD)
fDZr max
fD max
0,8
0
dpa
2
1
3
4
0.8
0.6
Ne
Ar
Xe
Cs
0.4
0.2
1016
1017
-2
Fluence (cm )
0.0
25
0
2
4
6
15
8
10
-2
FLUENCE (10 cm )
dpa
MgAl2O4 (monocristaux)
irradié avec Cs de 150keV
1dpa = 5x1014ions/cm2
ZrO2 (CSY monocristaux)
irradié avec des ions (E<550keV)
GdR GEDEPEON-NOMADE
Paris 21-22 Novembre 2005
16
DP et mécanismes : pouvoir d’arrêt électronique dE/dx
Taux de délocalisation des éléments (RBS canalisée, thèse A. Gentils)
Simulation des PF :
effet du dE/dx
effet de la fluence
effets des éléments
1,0
1,0
sous-réseau O
sous-réseau Zr
0,8
fD saturation
0,8
fD max
0,6
Xe 450MeV
0,4
0,2
sous-réseau O
sous-réseau Zr
0,0
0
5
10
15
13
-2
Fluence de xénon (x10 cm )
20
Pb
0,6
Xe
0,4
monocristaux
de
zircone
cubique CSY irradiés avec
différents ions de haute
énergie (Xe 450MeV)
0,2
Kr
Ne
Ar
0,0
0
10
20
30
40
50
-1
(dE/dx)e (keV.nm )
1,2
MgAl2O4
1,0
1,0
Pb
Xe
fD (max)
Xe 450MeV
0,6
0,4
0,2
MgAl2O4
0,0
0
2
4
6
8
13
-2
Fluence de xénon (10 cm )
10
fD (sat)
0,8
0,8
monocristaux de spinelle
irradié avec différents ions
de haute énergie
(Mg, Al, O)
0,6
0,4
0,2
Kr
Ne
Ar
0,0
0
10
20
30
40
(dE/dx)e (keV/nm)
GdR GEDEPEON-NOMADE
Paris 21-22 Novembre 2005
17
Caractérisation des DP d’irradiation (par PF)
Absorption optique (thèse C. Dalmasso) :
défauts majoritairement créés sur le réseau oxygène (centres F)
λ, nm λ, eV
Band shift λ
0,28
M gO
233
260
625
900
0,24
Densité Optique
0,20
0,16
φ Kr = 1.65 x 10 14
0,12
φ Kr = 2 x 10 13
0,08
φ K r = 4 x 10 12
0,04
φ K r = 1 x 10 11
φ Kr = 5 x 10 10
0,00
φ Kr = 1 x 10 10
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
5.3
4.75
no
-
1.98
1.38
no
0 .4 5
D if f é r e n c e
Densité optique
0 .4 0
2.1014 Kr/cm²
0 .3 5
0 .3 0
0 .2 5
Densité Optique
A près bom bard em ent
1,0.10
10
10
0.45
1,0.10
11
0.40
1,0.10
12
0.35
1,65.10
0.30
14
0.25
0.20
0.15
0.10
0 .2 0
0.05
0 .1 5
0.00
200
0 .1 0
300
400
500
600
700
Longueur d'onde (nm)
0 .0 5
0 .0 0
?
?
5,0.10
0.50
A vant bom bard em ent
F center : [V o – 2e-]
F+ center : [Vo – e-]
[Al]Mg 0; [Mg]Al0
MgAl2O4
0.55
0 .5 5
Defects
Spectres d’absorption de spinelle
irradié à 25°C par 86Kr 540 MeV
0.60
800
Longueur d'onde (nm )
0 .5 0
nm Ref
207
5
234
5
261
5
300
5
328
5
391
5
400
5
533
5
-
lit.,
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
L o n g u e u r d 'o n d e (n m )
Spectres d’absorption de MgO
irradié à 25°C par 86Kr de 540 MeV
800
λ, nm λ, eV Band shift λ lit., nm
265 4.7
yes
252
305 4.1
360 3.45
no
355
475 2.6
no
575 2.2
no
574
735 1.7
-
GdR GEDEPEON-NOMADE
Ref
6
7
7
Defects
F+ center : [Vo – e-]
Mn?
F2 center
Cr?
Vo cluster, Mg cluster?
?
Paris 21-22 Novembre 2005
18
800
Caractérisation des DP d’irradiation (par PF)
RPE: défauts paramagnétiques «pièges à trous»-cations (C. Dalmasso)
Spinel
Après bombardement
φKr=1.65x10
14
Mn2+
φKr=5x10
10
Defaut induit
Cr3+
Avant bombardement
2.15
2.10
2.05
2.00
1.95
Facteur g
1.90
1.85
2.02
2.01
2.00
1.99
1.98
1.97
1.96
1.95
Facteur g
2,08
2,06
2,04
2,02
2,00
1,98
1,96
g-value
MgO irradié par 2.1014 86Kr 540 MeV/cm² :
défaut à symétrie isotrope (gx=gy=gz)
avec un facteur g > 2
GdR GEDEPEON-NOMADE
MgAl2O4 irradié par 86Kr 540 MeV/cm²
défaut à symétrie orthorhombique
avec un facteur g > 2
Paris 21-22 Novembre 2005
19
Dommages : Effet de la température
DP réseau oxygène maintenus à 550°C, recuit>500°C = ↓ amas VO
0.22
12
ions/cm²
4,0.10
12
ions/cm²
0.16
2,0.10
13
ions/cm²
0.14
1,0.10
14
ions/cm²
1,0.10
0.20
(a)
0.50
0.12
0.10
550°C
0.08
0.40
600°C
0.06
0.35
650°C
0.04
0.02
0.00
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
Longueur d'onde (nm)
0 .2 4
4,0.10
0 .2 2
Densité optique
500°C
0.45
12
io n s / c m ²
0 .2 0
2 ,0 .1 0
13
io n s / c m ²
0 .1 8
2 ,0 .1 0
13
io n s / c m ²
Densité optique
Densité optique
0.18
Spectres d’absorption de MgO irradié par
2.1014 86Kr 540 MeV/cm² après recuit:
Disparition des amas de VO
700°C
0.30
750°C
0.25
850°C
0.20
0.15
0.10
(b )
0.05
0.00
0 .1 6
0 .1 4
0 .1 2
250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
Longueur d'onde (nm)
0 .1 0
0 .0 8
0 .0 6
0 .0 4
0 .0 2
0 .0 0
250
300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
800
Spectres d’absorption de MgO irradié à
différentes fluences de Kr 600MeV:
(a) à température ambiante, (b) à 550°C
L on gue ur d 'on d e (n m )
GdR GEDEPEON-NOMADE
Paris 21-22 Novembre 2005
20
Implantation et rétention des PF
Implantation et RBS canalisée (thèse A. Gentils) :
effet de seuil en concentration et température, effet irradiation
5
Concentration de Cs (at.%)
ZrO 2
Distribution en profondeur des ions Cs implantés dans
ZrO2 en faibles quantités (en haut) et en fortes
quantités (en bas).
non recuit
recuit 650°C
irr. 650°C
4
3
2
Rétention du Cs implanté dans un
monocristal de spinelle après recuit (Q)
ou irradiation à chaud ()
1
8
0
0
25
50
75
100
125
150
Profondeur (nm)
Z rO 2
n o n re c u it
re c u it 5 0 0 ° C
irra d ié 5 0 0 °C
re c u it 6 5 0 ° C
4
3
2
Concentration de Cs (at.%)
5
6
3x10 16 C s
5
4
2x10 16 C s
3
2
10 16 C s
1
1
C s - M gAl 2 O 4
5x10 16 C s
7
6x10 15 C s
0
0
0
0
25
50
75
100
125
150
P ro fo n d e u r (n m )
GdR GEDEPEON-NOMADE
100
200
300
400
500
600
700
800
900 1000
Tem pérature (°C )
Paris 21-22 Novembre 2005
21
Migration de He
ARN après implantation, recuit et irradiation
16 3
3
He atomic ratio, x105
polycrystalline MgAl2O4 - 3.10 He implanted
annealing 5h 950°C (SIMNRA fitting)
120
not preirradiated
80
preirradiated
Kr675MeV
40
0
0
5
10
15
2
-4
Depth, 10 at.cm , xe
3000
Proton yield
2500
MgAl2O4
MgO pre-irradiated
MgO unirradiated
2000
Distribution de l’hélium implanté mesuré après recuit
par Analyse par Réaction Nucléaire (µsonde LPS)
1500
1000
500
0
1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900
Deuteron energy (keV)
MgO
Effet des DP d’irradiation
sur la rétention de He
GdR GEDEPEON-NOMADE
Paris 21-22 Novembre 2005
22
Mecanismes d’endommagement des oxydes : résumé
• DP
: centres colorés (centres F), sur le réseau oxygène;
+ pièges à trous sur réseau cation (paramagnétique)
• Mécanisme de formation des DP :
3 ou 4 stades (dE/dx)n
1 stade (dE/dx)e
concentration DP ↑ avec fluence (seuil), (dE/dx)e (seuil),
↓ pour T > 500°C
• Gonflement (= amorphisation +?) : ↓ quand taille de grains ↑,
↓ quand T°C ↑
• Amorphisation : seuil en (dE/dx)e
gonflement anisotrope?
pas encore observée dans MgO?
• Relâchement des PF : seuil en T et concentration
• Relâchement de He : effet de l’irradiation?
GdR GEDEPEON-NOMADE
Paris 21-22 Novembre 2005
23
Mecanismes d’endommagement des oxydes : résumé
Participation des Laboratoires du GdR NOMADE :
CIRIL (Caen) S. Bouffard
CSNSM (Orsay) L. Thomé, A. Gentils
CRESA (U. Nice) P. Iacconi, C. Dalmasso
LMCP (Paris VI) E. Balan, G. Calas
LVC (U. Rennes) P. Verdier, R. Daucé
CECM (Vitry) L. Mazerolles
LPS (Saclay) P. Trocellier
CEA (Saclay D. Gosset, D. Siméone
…
GdR GEDEPEON-NOMADE
Paris 21-22 Novembre 2005
24
GdR GEDEPEON-NOMADE
Paris 21-22 Novembre 2005
25