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1 CEA, DEN, DEC LCU - Laboratoire des Combustibles Uranium, LLCC - Laboratoire des Lois de Comportement du Combustible, LEDC - Laboratoire d-Etudes et de Développement des Coeurs

Abstract : Reactivity excess in Nuclear Power Plants is controlled by reactor-s active systems: boric acid dilution and control rods. Alternatively, negative reactivity insertion can be made in a passive way using burnable poisons, i.e. neutron absorbers, this is the case of gadolinium Gd. In the industrial framework of U²³⁵ enrichment increase and boric acid restraint, the goal of this thesis is to optimize the distribution of gadolinium in UO₂ ceramics to obtain a high-performance provision of negative reactivity in Pressurized Water Reactors. In this sense, the work is focus on new gadolinium-rich materials. Thus, U-Gd-O phase diagram was explored in the field of high Gd contents. Two cubic phases were found and characterized: the C1 and C2 phases. With the aim of an industrial application, C1 phase was selected as candidate for Gd addition into UO₂ pellets. The optimal distribution of C1 phase within a nuclear fuel assembly was studied using APOLLO 2.8 neutron transport code. Parametrical calculations were performed. These neutronic studies have ended in a successful -concept of poisoned pellet-. Finally, some prototype pellets following this concept were made in laboratory to proof it feasibility. All the obtained results shows that the proposed concept of a neutrophage C1-phase coating on UO₂ pellets is a convenient way to reduce reactivity excess within the frame-work of long irradiation cycles. This concept could be potentially applied in industrial scale. Consequently a patent application process was initiated.

Résumé : L-excès de réactivité neutronique dans les centrales nucléaires est compensé par des sys-tèmes actifs de contrôle du réacteur : acide borique et barres de contrôle. L-apport d-antiréactivité peut se faire passivement avec des poisons consommables, c-est-à-dire des absorbants de neutrons, en particulier avec du gadolinium Gd. Dans le cadre d-une augmentation de l-enrichissement en U²³⁵ et de réduction de l-utilisation d-acide borique, cette thèse a pour objectif d-optimiser la distribution du ga-dolinium dans des céramiques d-UO₂ afin d-obtenir un apport optimisé d-antiréactivité dans un Réacteur à Eau sous Pression. Dans ce sens, le travail est orienté à trouver des nouveaux matériaux riches en gadoli-nium. Le diagramme de phase U-O-Gd a donc été exploré dans le domaine des fortes teneurs en Gd. Deux phases cubiques ont été trouvées et caractérisées : les phases C1 et C2. En vue d-une application industrielle, la phase C1 a été retenue comme candidate pour l-ajout du Gd dans les pastilles d-UO₂. La distribution optimale de cette phase C1 dans les assemblages de combustible nucléaire a été étudiée avec le code de calcul neutronique APOLLO2.8. Des études paramétriques ont été réalisées. Ces études neutroniques ont aboutit à un concept performant de pas-tille empoisonnée. Finalement, des pastilles prototype ont été fabriquées en laboratoire suivant ce concept. L-ensemble des résultats obtenus montre qu-un concept de pastille avec un dépôt super-ficiel neutrophage de phase C1 est une manière d-apporter de l-antiréactivité de manière optimisée dans le cadre de cycles longs. Ceci pourrait potentiellement être appliquée à l-échelle industrielle. Un brevet a été déposé en ce sens.

en fr

Keywords : EPR™; pressurized water reactor phase diagram U-Gd-O negative reactivity boric acid boron burnable poison nuclear reactor reactivity excess patent application PWR pressurized water reactor SEM XRD ceramic slip coating diffusion couples sintering nuclear power plant.

Mots-clés : EPR™; REP Gadolinium Gd C1 C2 Gd₆UO₁₂ Gd₂O₃ UO₂ U₃O₈ diagramme de phase U-Gd-O antiréactivité acide borique bore poison consommable réacteur nucléaire excès de réactivité brevet EPR™ REP réacteur à eau sous pression MEB EDS DRX barbotine enrobage couples d-interdiffusion diffusion frittage centrale nucléaire





Autor: Pieck Dario -

Fuente: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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