Etude du comportement du produit de fission césium dans le dioxyde d’uranium par méthode ab initio

Florence GUPTA, thèse de doctorat de l'université Paris XI, UFR scientifique d'Orsay, spécialité chimie-radiochimie, école doctorale rayonnements et environnement, 215 p., 19 septembre 2008

La connaissance du comportement des produits de fission (PF ) dans le combustible nucléaire est importante pour des questions de sûreté et également pour comprendre l’évolution des propriétés du combustible sous irradiation. Compte tenu de la difficulté de mise en oeuvre et d’interprétation des expériences sur le combustible en conditions extrêmes, les prévisions théoriques présentent un intérêt particulier. L’objectif principal de la thèse est centré sur le comportement du césium dans UO2, par calculs ab initio de structure électronique. Nous avons étudié la solubilité du césium dans les défauts ponctuels de la matrice et sa diffusion, puis la stabilité relative du césium dissous dans le combustible vis à vis de la précipitation de phases solides. Nous nous sommes particulièrement attachés à mettre en évidence le rôle des corrélations électroniques entre les électrons f de l’uranium sur ces différentes propriétés, après avoir testé leur importance sur la description du cristal parfait UO2. Les énergies de formation des principaux défauts ponctuels dans UO2 ont été calculées par méthode ab initio, l’évolution de leur concentration en fonction de la stoechiométrie du combustible et de la température a été estimée dans le cadre du modèle des défauts ponctuels. Les barrières énergétiques et les chemins de migration pour l’auto-diffusion des lacunes et interstitiels d’oxygène et des lacunes d’uranium dans UO2 sont évalués et discutés. La solubilité du césium dans le dioxyde d’uranium est trouvée très faible, en accord avec les mesures expérimentales. Les sites de piégeage les plus favorables ont été déterminés dans les différents domaines de stoechiométrie du combustible. Nos résultats montrent que la diffusion du césium à partir de son site d’incorporation le plus favorable dans l’oxyde sur-stoechiométrique est limitée par la diffusion des lacunes d’uranium. La formation des principales phases solides issues de l’oxydation du césium (Cs2O, Cs2O2 et CsO2) et de son interaction avec le combustible (Cs2UO4), le PF molybdène (Cs2MoO4) et le zirconium (Cs2ZrO3) a été considérée car l’existence possible de ces phases, leur solubilité et leur interdépendance affectent le relâchement du césium.