Soutenance de thèse de Amani KSIBI

Le dioxyde d'uranium polycristallin (UO2) est communément utilisé comme combustible dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisée de génération actuelle. Comme dans toute céramique, ses propriétés macroscopiques dépendent fortement du comportement des joints de grains (JdG). L'amélioration des performances du combustible requiert ainsi une bonne connaissance des JdG, dont leurs énergies de formation γgb et leurs propriétés mécaniques. Au travers d’expériences réalisées sur des échantillons polycristallins et sur des bicristaux, ce travail a pour objectif, d'une part d’identifier les JdG d'intérêt dans l’UO2 polycristallin puis, d'autre part de déterminer expérimentalement leur énergie. Dans un premier temps, des pastilles d'UO2 ont été élaborées à partir de deux types de poudre et avec des paramètres de frittage différents afin d'évaluer l’influence des conditions d'élaboration sur la nature et la distribution des JdG spéciaux de type CSL. L’analyse par MEB-EBSD a montré que, quelles que soient les conditions de frittage, la population totale de JdG CSL diminue légèrement lorsque la taille des grains augmente jusqu'à 10 μm, avant de se stabiliser autour de 15%. La technique d’élaboration traditionnelle par métallurgie des poudres a donc peu d’influence sur les populations de JdG CSL dans l’UO2. Puis, les échantillons d’UO2 polycristallins ont été attaqués thermiquement, ce qui a permis de révéler les sillons des JdG et d’en mesurer l’angle dièdre par AFM. Enfin, l'énergie relative des JdG (γgb/γs) a été déterminée en appliquant l'équation d’Herring. Cette approche expérimentale a été couplée à des calculs de dynamique moléculaire qui ont permis de déterminer les γgb des JdG symétriques de flexion et les énergies de surface (γs) des différents plans de JdG. Les résultats ont montré que γs est identique pour tous les plans des JdG possédant le même axe de rotation, ce qui permet de calculer l'angle ψ numériquement à l’aide de l'équation d’Herring. La comparaison entre les valeurs ψ mesurées et calculées a conduit à un excellent accord, révélant que la théorie de Mullins peut être utilisée pour mesurer expérimentalement γgb si l’on utilise des γs identiques à la racine du sillon des JdG possédant le même axe de rotation. Dans un second temps, deux bicristaux, composés des JdG symétriques de flexion Σ5 (031) / [100] - 36,86° et Σ5 (012) / [100] - 36,86°, ont été élaborés par « soudage-diffusion » à haute température à partir de deux monocristaux préalablement orientés. Leurs angles ψ sont en bon accord avec ceux mesurés sur les polycristaux. Par ailleurs, la structure atomique du joint Σ5 (031) examinée par MET-HR est en excellent accord avec celle simulée par dynamique moléculaire. Le JdG ne contient pas une simple symétrie de plan miroir mis une symétrie miroir associée à un glissement. Enfin, des essais préliminaires de flexion sur micropoutres ont été effectués pour évaluer la ténacité et la contrainte à la rupture de ce JdG. En plus de son intérêt fondamental évident, ces travaux devraient également permettre de progresser dans la modélisation thermomécanique du combustible afin de mieux prévoir son comportement sous irradiation.

Polycrystalline Uranium dioxide (UO2) is broadly used as nuclear fuel in current pressurized water reactors. The fuel performance depends on its macroscopic properties, decisively governed by the behavior of grains boundaries (GBs). Improving such performances requires progress in the knowledge of GBs including formation energies γgb and mechanical properties. It involves, on the one hand, identifying the GBs of interest in polycrystalline UO2 and, on the other hand, experimentally determining their energy. To address these issues, experiments were realized on both polycrystalline samples and bicrystals. First, UO2 pellets were elaborated, from two types of UO2 powder, at different sintering parameters in an effort to study the effects of the elaboration conditions on the evolution of both the population and the distribution of special coincidence site lattice (CSL) GBs. The resulting microstructure was investigated using EBSD-SEM. The total population of CSL GBs was shown to reduce slightly when the size of the grains increases up to 10 μm before being stabilized around 15 %, reflecting that such classical processing conditions do not affect the populations of CSL GBs in UO2. Then, the thermal grooving method was used to thermally etch UO2 ceramics, which allowed to reveal the GBs grooves and, subsequently, to measure their dihedral angle with AFM technique. It ultimately resulted in assessing the relative GB energy (γgb/γs) from the Herring equation. This experimental approach was coupled with molecular dynamics simulations with which both γgb of symmetric tilt GBs and the surface energy γs of their respective boundary planes were calculated. The results pointed out that γs is identical at the groove of the GBs possessing the same rotation axis, making possible the calculation of the angle ψ by Herring equation. The comparison between measured and calculated ψ values led to a striking agreement, revealing that the Mullins theory can be used to experimentally assess γgb by using identical γs at the root of the GB grooves with the same rotation axis. Second, two bicrystals were elaborated, from two suitably orientated single-crystals, by « diffusion-bonding » at high temperature. One comprises a symmetrical tilt GB Σ5 (031) / [100] - 36.86° whereas the other includes Σ5 (012) / [100] - 36.86 °. Their ψ angle is in agreement with that measured on polycrystals. The atomic structure of the Σ5 (031) GB was examined with HRTEM and compared to the simulated model. The GB contains a glide mirror symmetry instead of a mirror plane symmetry. Finally, preliminary micro-cantilever bending tests were performed to assess local toughness and strength in this bicrystal. In addition to its obvious fundamental interest, this work also opens the path to an improved simulation of the behaviour of the nuclear fuel under irradiation.