Le synchrotron SOLEIL et le CEA font la lumière (par diffraction des rayons X) sur un combustible nucléaire
Publié par Adrien le 04/12/2018 à 08:00
Source: CEA

SOLEIL
Les chercheurs du CEA et du Synchrotron SOLEIL achèvent aujourd'hui une caractérisation microstructurale par diffraction des rayons X d'une section transverse de combustible nucléaire irradié en réacteur, expérience réalisée pour la première fois au monde (Le mot monde peut désigner :) et entamée depuis le mercredi 21 novembre 2018. Cette prouesse concrétise une collaboration de plusieurs années entre le CEA et SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...) pour adapter un des laboratoires du synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) à la réception et la manipulation d'un tronçon de combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une réaction chimique générant de la...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) dans sa gaine. De ce fait, SOLEIL devient le seul synchrotron capable de recevoir des échantillons massifs, très irradiants et contaminants, représentatifs de l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) industriel tel qu'il est mis en oeuvre dans les réacteurs français. Les résultats obtenus permettront de mieux caractériser la microstructure du combustible nucléaire irradié. 

Depuis le 21 novembre 2018, la première expérience mondiale de caractérisation par diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les points de...) des rayons X (DRX) d'un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents...) massif (Le mot massif peut être employé comme :) de combustible d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde...) d'uranium (L'uranium est un élément chimique de symbole U et de numéro atomique 92. C'est un élément naturel assez fréquent : plus abondant que l'argent, autant que le...) irradié 5 ans dans un réacteur (Un réacteur peut désigner :) de la centrale EDF de Gravelines est menée avec succès sur la ligne de lumière  MARS du synchrotron SOLEIL. L'objet analysé est un échantillon de combustible UO2 de quelques milligrammes , d'une épaisseur moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans...) de 50 µm. Il représente une section transverse complète d'un crayon de combustible nucléaire tel qu'il est exploité dans les réacteurs à eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) pressurisée français: UO2 enrichi à 4,48 % en 235U irradié en réacteur et refroidi pendant 23 ans. Jusqu'à présent, les équipements existants de par le monde ne permettaient d'étudier que quelques grains de poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de taille inférieure au...).Les résultats permettront d'accéder à des informations particulièrement fines sur l'organisation (Une organisation est) structurale et microstructurale du combustible et l'évolution locale de cette organisation au sein même d'une pastille. De telles caractérisations contribueront à identifier les mécanismes physiques en jeu au sein du combustible afin de les prendre en compte dans la modélisation, et ainsi, de mieux prédire l'évolution de son comportement sous irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps...).Cette caractérisation par diffraction X sur synchrotron d'échantillon massif de combustible, très irradiant et contaminant fait de cette expérience une première mondiale.

Une ligne de lumière adaptée à la réception de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) irradiants

Ce succès est le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du...) d'une collaboration entre les équipes du CEA à Cadarache (Le centre de Cadarache est un centre de recherche nucléaire français situé dans les Bouches-du-Rhône, au confluent du Verdon et de la Durance sur un site de 1 625 hectares sur la commune...) (13) et à Saclay (91) et du Synchrotron SOLEIL (91). Pour répondre à ses besoins, le CEA souhaitait, dès les années 2000, pouvoir bénéficier d'une ligne de lumière "chaude" sur un synchrotron susceptible de recevoir des matériaux irradiants et contaminants. Depuis la construction du synchrotron, les équipes du CEA et de SOLEIL ont investi et travaillé de concert pour construire et adapter les équipements de la ligne de lumière MARS ("Multi-Analyses on Radioactive Samples").De nombreuses étapes étaient à franchir pour atteindre cet objectif: conception de blindages sur mesure autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) du poste d'analyse de DRX ; réalisation d'un porte-échantillon compatible avec le poste d'analyse de DRX de la ligne MARS ;
- conception d'une protection biologique mobile pour transporter et permettre l'accostage (En anglais, le terme correspondant est soft docking.) de l'échantillon radioactif sur le poste d'analyse de la ligne MARS sans que les utilisateurs ne soient exposés aux radiations ;
- préparation d'un échantillon massif de combustible selon les spécifications requises ;
- obtention de l'autorisation de l'Autorité de Sûreté Nucléaire (L'Autorité de sûreté nucléaire (ASN), est une autorité administrative indépendante française (AAI) qui assure, au nom de l'État, le contrôle de la sûreté...) ;
- sortie de cet échantillon massif du laboratoire chaud (LECA-STAR) en respectant les critères de propreté radiologique.


Photo du dispositif d'analyse de l'échantillon © CEA/SOLEIL

De la diffraction X à la spectroscopie d'absorption X

La ligne MARS possède également un poste d'analyse par spectroscopie d'absorption des rayons X (La spectrométrie d'absorption des rayons X aide à déterminer la structure d'un matériau. Elle a l'avantage d'être sélective quant à l'espèce atomique observée.) que le CEA et SOLEIL adaptent également pour recevoir des échantillons irradiants. À terme, SOLEIL, avec sa ligne MARS, sera le seul synchrotron au monde à posséder ces capacités pour la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) des matériaux du nucléaire, parmi laquelle les équipes du CEA, qui auront un accès privilégié à la ligne MARS du fait des investissements réalisés dans ces équipements. 


L'échantillon est préparé à partir d'un crayon de combustible (1 cm de diamètre / 4 mètres de long, schéma à gauche), les chercheurs ont réalisé une tranche du combustible (milieu) et diverses opérations de préparation pour arriver à une lamelle de quelques milligrammes, d'une épaisseur de 50 µm et une largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est la plus petite des deux mesures...) de 1 mm. © CEA


Rappel du principe de diffraction par rayons X © © CEA/SOLEIL

Notes:
- On appelle "lignes de lumière" les laboratoires des installations synchrotron. Le synchrotron SOLEIL compte 29 lignes de lumière. 
- Jusqu'à présent, les équipements existants de par le monde ne permettent d'étudier que quelques grains de poudre. Un échantillon de quelques milligrammes constitue donc un échantillon massif pour les chercheurs.
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