Féderation de recherche Fabri de Peiresc

Des chercheurs du Laboratoire de Mécanique et d’Acoustique et du Laboratoire des Combustibles Uranium du CEA Cadarache ont suivi, via la technique d’émission acoustique (EA), la compaction de particules fragiles de dioxyde d’uranium (UO2) de quelques centaines de micromètres de diamètre. Il s’agissait de contrôler la porosité ouverte des pastilles d’UO2 au cours de leur fabrication, et de trouver ainsi un bon compromis entre porosité suffisante, pour faciliter le dégazage des gaz de fission et d’hélium au cours de l’irradiation, et porosité maximale pour obtenir une bonne tenue mécanique des pastilles. Sachant que la porosité ouverte des pastilles est intimement liée à la fragmentation de ses particules, suivre acoustiquement le processus de fragmentation revenait à contrôler la porosité ouverte. La difficulté résidait dans le fait que l’empilement des particules d’UO2 était en forte évolution au cours de l’essai de compaction, passant d’un état granulaire très lâche (poudre) à un état poreux compact (pastille) ; la propagation des ondes acoustiques et leurs caractéristiques s’en trouvaient donc très fortement affectées. En analysant conjointement l’EA et les images de microscopie à balayage électronique obtenues sur des échantillons de pastilles post-mortem, la signature acoustique des fragmentations des particules a pu être identifiée sans ambiguïté. Par ailleurs, trois zones d’activité acoustique, fortement liées à la contrainte appliquée au cours de l’essai, ont pu être définies ; elles correspondent aux réarrangements des particules et/ou aux fragmentations. La fin du processus notable de fragmentation a été clairement identifiée comme étant la fin du processus majeur qui augmente la compacité du matériau.

Ces résultats, pionniers pour l’UO2 et publiés dans Ultrasonics, ouvrent de nouvelles perspectives pour le contrôle de la porosité des combustibles nucléaires.

Référence : N. Favretto-Cristini, L. Hégron & Ph. Sornay, “Identification of the fragmentation of brittle particles during compaction process by the acoustic emission technique”, Ultrasonics, 67, 178-189 (2016).