Un nouvel outil pour l'étude des combustibles nucléaires usés
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Les équipes du Département Chimie du CNRS (CERI (1)) et de la Direction de l'Energie Nucléaire du CEA (DTCD (2)) viennent de concrétiser une collaboration exemplaire de deux ans et demi, destinée à compléter les moyens dont disposent actuellement les chercheurs pour caractériser les matériaux radioactifs. Ils ont installé, dans les laboratoires d'Atalante – installation nucléaire du CEA/Marcoule (Gard) – un spectromètre utilisant l'annihilation de positons (anti-particules de l'électron (3)): ce phénomène permet de caractériser les défauts lacunaires induits dans les matériaux radioactifs par l'auto-irradiation alpha, laquelle résulte de la désintégration des actinides, dont le plutonium.
Vue du spectromètre temps de vie
et de son blindage implanté en actif dans Atalante
(laboratoires DHA, Déchets de Haute Activité)
Dans un premier temps, le CERI a validé la mise en application de cette technique sur des échantillons d'oxyde d'uranium irradiés par des particules alpha et par des électrons. Le spectromètre a ensuite été nucléarisé par les équipes du DTCD et installé dans un laboratoire de l'installation Atalante. Il servira tout d'abord à identifier la nature et le nombre des défauts induits par la désintégration alpha d'échantillons d'oxyde d'uranium, dopés avec du plutonium 239 ou 238 (afin de simuler le vieillissement des combustibles nucléaires après leur sortie de réacteur).
Cet équipement contribuera aux études expérimentales sur le comportement de l'hélium, en particulier sur sa localisation et sur ses mécanismes de diffusion en situation d'entreposage ou de stockage de combustibles usés: l'hélium produit en grande quantité pendant la période de stockage (la particule alpha étant un atome d'hélium) peut en effet induire des contraintes ou des évolutions de matériaux, selon qu'il reste piégé ou non dans le combustible.
A savoir:
Applicable aux solides, la spectrométrie de temps de vie des positons est une technique permettant de déterminer la taille, ainsi que la concentration et l'activité électrique et optique des défauts "lacunaires" produits par l'irradiation alpha (par défaut lacunaire, on entend la modification de l'état physique du solide par déplacement d'un ou plusieurs noyaux). Cette technique est basée sur deux propriétés du positon dans la matière:
- d'une part, son annihilation – par rencontre avec les électrons du solide – aboutit à l'émission de rayons gamma (d'une énergie de 511 keV, kilo électrons-volt) ;
- d'autre part, son piégeage dans les défauts lacunaires modifie les composantes de temps de vie.
La première phase des études, réalisée par le CERI à Orléans, a permis de prouver la faisabilité de la mesure de temps de vie dans des échantillons présentant une activité gamma propre ; elle a également démontré que la mesure était sensible à la présence et à la concentration des défauts lacunaires liés à l'irradiation.
L'étude menée par le CNRS et le CEA a été soutenue successivement par les Groupements de recherche (GDR) Nomade et Matinex.
Notes:
(1) CERI: Centre d'études et de recherches par irradiation.
(2) DTCD: Département d'études du traitement et du conditionnement des déchets.
(3) Un positon a la même masse qu'un électron mais il est de charge et de moment magnétique opposés.