COMMISSARIAT A L'ÉNERGIE ATOMIQUE DIVISION DE METALLURGIE ET D'ETUDES
DES COMBUSTIBLES NUCLEAIRES DEPARTEMENT DE TECHNOLOGIE
SERVICE DES ELEMENTS COMBUSTIBLES ET STRUCTURES SECTION D'EXPLOITATION DU L.E.C.I.
Reunion du groupement microsonde de l'ANRT.
KARLSR'JHE.RFA, 23 - 24 Juin 19M.
CEA - CONF 5789
MICROANALYSE X D'ECHANTILLONS FORTEMENT RADIOACTIFS
Richard CYTERMANN (Agent CE.A.) Michel PERROT (Agent CE.A.) Nicole VIGNESOULT (Agent CE.A.)
I - INTRODUCTION
Le combustible des réacteurs nucléaires se présente sous la forme d'assemblages d'aiguilles (Figure 1). Chaque aiguille est constituée d'un combustible proprement dit tel que l'oxyde d'uranium et d'un matériau de gainage tel que le zircaloy servant de barrière entre le combustible et le circuit d'échange de chaleur (Figure 2).
De nombreux phénomènes interveiiant au cours du fonctionnement des réacteurs nécessitent l'analyse de très petits volumes de matière radioactive pour laquelle la microsonde blindée s'est révélée un outil de choix. On peut citer notamment :
- la formation et l'accumulation locale de produits de fission dont certains peuvent avoir une action corrosive vis à vis de la gaine
- la répartition du plutonium susceptible de varier en fonction des conditions d'irradiation
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- la carburation des gaines pour les combustibles à base de carbures
- les ruptures accidentelles
II - TECHNIQUES DE PREPARATION
L'activité radioactive des matériaux examinés impose l'emploi de techniques particulières de préparation en cellule blindée que nous allons décrire dans leur ordre chronologique.
11.1 - Choix de la section examinée
Les aiguilles combustibles pouvant atteindre 4 mètres de long, des examens non destructifs préalables sont nécessaires de manière à
déterminer les zones intéressantes à analyser telles que fissures, interac- tion gaine-combustible, corrosion ...
11.2 - Tronçonnage
Après localisation des zones à examiner, une opération de tronçon- nage est réalisée en cellule blindée de manière à obtenir un échantillon de 7 mm de hauteur,
11.3 - Imprégnation métallique
Pour réaliser la préparation métallographique de l'échantillon, l'enrobage classique à l'araldite a été écarté car cette résine se dégrade
& la fois sous l'impact du faisceau d'électrons de la microsonde et .sous l'effet de l'activité radioactive des matériaux examinés. Lors de sa décom- position, l'araldite pourrait en effet entraîner des particules radioactives et contaminer la colonne de la microsonde.
La solution retenue est une imprégnation métallique à l'aide d'un alliage & bas point de fusion (eutectique Bi-Sn fondant a 138 *C), relati- vement dur et présentant une légère expansion au cours de la solidification.
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De manière à assurer la pénétration la plus complète possible de l'alliage dans les fissures, l'imprégnation comprend les étapes suivantes :
- dégazage sous vide primaire à 120 °C - fusion sous vide de l'alliage Bi-Sn
- établissement d'une pression de 30 bars d'argon - refroidissement en maintenant la pression d'argon 11.4 - Deuxième tronçonnage
Après imprégnation, une nouvelle opération de tronçonnage est nécessaire de manière à diminuer l'activité radioactive de l'échantillon.
L'épaisseur de l'échantillon après tronçonnage est de 5/10 â 1 mm.
11.5 - Polissage
Sa réalisation, en cellule blindée.- impose l'utilisation de machines automatiques de polissage mécanique et de finition au diamant ou à l'alumine
(dans le cas de l'analyse du carbone).
11.6 - Décontamination
Après préparation, la surface de l'échantillon est contaminée par des poussières radioactives. Il faut donc impérativement le nettoyer de manière â éviter toute contamination de la microsonde. Cette opération est réalisée dans un bac â ultra-sons en utilisant successivement les solvants acétone et alcool. La décontamination est considérée comme achevée lorsqu'on ne mesure plus d'activité dans le récipient utilisé pour le nettoyage.
11.7 - Décapage
La préparation de l'échantillon est parache/le par un décapage
ionique destiné â assurer la propreté chimique de la surface de l'échantillon.
A ce stade, l'échantillon est prêt pour l'analyse à la roicrosonde blindée.
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III - LA MICROSONDE BLINDEE
La microsonde blindée a été conçue à partir de l'appareil
standard de manière à assurer la protection biologique de l'expérimentateur et à réduire le bruit de fond dû aux rayonnements 8 et y de l'échantillon à un niveau minimal.
Les différences essentielles avec l'appareil standard sont les suivantes :
- introduction de l'échantillon - mouvement objet
- chemin optique du microscope d'observation - blindage du corps de sonde
- limitation du déplacement des cristaux analyseurs III.1 - Protection biologique
La protection de l'expérimentateur a été déterminée de manière à pouvoir analyser, sans enfreindre les normes d'irradiation du personnel
(5 rems/an, intensité moyenne d'irradiation 2,5 mR/h), des échantillons ayant une activité maximale de 4 Ci de Cs (photons y de 0,66 MeV). 137
L'intensité d'irradiation à une distance donnée est calculée à partir de la formule suivante :
0,54 x A x E
, , .X
A
m ~2 f<
e )Pb
aI. : intensité d'irradiation exprimée en rad/heure A : activité de la source exprimée en curies E : énergie du rayonnement exprimée en MeV
d : distance source-point de mesure exprimée en mètres f (e) p. : facteur de transmission du plomb pour l'énergie E
et l'épaisseur e
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Cette expression permet de déterminer l'épaisseur de plomb nécessaire pour assurer la protection biologique de l'expérimentateur en tout point de l'appareil.
Pour réaliser pratiquement cette protection, deux solutions sont possibles :
a) - blindage du corps de sonde
- remplacement d'éléments initiaux en alliage d'aluminium par des pièces identiques en plomb ou en denal (alliage fritte à base de tungstène)
- réalisation d'un château de transfert de l'échantillon de l'enceinte de préparation vers la microsonde.
Cette solution a été adoptée dans le cas de la microsonde blindée MS 46.
b) - appareil automatique implanté en cellule blindée
Cette solution a été adoptée dans le cas du CAMEBAX destiné à l'examen d'échantillons radioactifs.
La figure 3 présente les éléments essentiels de protection du corps de sonde :
- couronne en denal avec canal de passage du faisceau de rayons X - blindage circulaire en plomb
- pièce en denal amovible pour changer le filament sans ôter l'échantillon
- pière dans le prolongement du faisceau X
La figure 4 présente le château de transfert avec ses protections biologiques. Celui-ci permet le transfert de l'échantillon, sans rupture de protection, de l'enceinte de préparation à la microsonde.
Le mouvement objet de la microsonde est situé dans ce château de transfert. Il permet de déplacer l'échantillon dont les dimensions
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maximales sont 0 25 an • h : 8 mm - selon trois directions perpendicu- laires d'amplitude : X » 15 mm, Y = 40 mm, Z • +_ 0,75 mm. Un ensemble de sécurités mécaniques rend impossible toute fausse manoeuvre lors du déplacement du mouvement objet dans le château de transfert.
Cet ensemble de protections permet d'intervenir en tou. point de l'appareil sans retirer l'échantillon.
III.2 - Protection des compteurs
D'après CONTY (CAMECA), la limite de détection d'un élément peut être calculée à partir de la formule suivante :
L = ~ £ 1/2 (h Fx + n Fr)
n Fx : bruit de fond continu X provenant du freinage des électrons du faisceau incident dans la matrice analysée.
n Fr : bruit de fond radioactif dû aux rayonnements S et y qui ionisent directement le gaz du détecteur et aux spectres X des parois de la microsonde et du corps du détecteur excités par les rayonnements 3 et y émis par l'échantillon.
N : intensité de la raie caractéristique de l'élément P : terme correctif tenant compte de l'absorption et de la fluorescence.
De manière à minimiser le bruit de fond radioactif et d'obtenir, par suite une limite de détection aussi basse que possible, une étude a été réalisée en cellule blindée à l'aide d'un montage expérimental compre- nant une source radioactive (3 Ci de Cs), un cristal analyseur, un 137 compteur proportionnel à flux gazeux et différentes épaisseurs de plomb.
Ces essais ont rois en évidence les points suivants :
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- influence de la distance compteur-échantillon mesurée prati- quement par la distance cristal-échantillon (figure 5)
Le bruit de fond radioactif sera donc variable suivant le type d'élément analysé.
- influence du déplacement de l'échantillon (compteur en position fixe) (Figure 6)
Le bruit de fond radioactif sera donc variable pour différents points d'analyse sur l'échantillon.
- épaisseurs de plomb nécessaires entre l'échantillon et le compteur pour réaliser une analyse dans des conditions satisfaisantes.
Enfin, on peut remarquer que la discrimination électronique peut éliminer une partie du bruit de fond radioactif.
III.3 - Problèmes d'analyse non liés à la radioactivité mais au type d'échantillons examinés
- absence de témoins pour les éléments Xe, Cs et I
- fragilité sous le faisceau d'électrons de la microsonde de certaines phases, notamment à base de césium, qui se dégradent dans le temps (migration, evaporation)
- superposition de raies (Ex : Pd - Rh - U)
IV - EXEMPLES D'ETUDES REALISEES A L'AIDE DE LA MICROSONDE BLINDEE
IV.1 - Réaction oxyde-gaine
Les images X de la figure 7 illustrent la corrosion d'une gaine en acier inoxydable par les produits de fission iode et césium.
On observe dans les joints de grains un appauvrissement marqué des différents éléments de l'acier et particulièrement du manganèse et du chrome ainsi qu'une pénétration importante de différents produits de fission.
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Entre la gaine et le combustible, on observe deux zones poreuses :
- une zone a) d'environ 30 um en bordure de gaine où l'on observe la présence de constituants de l'acier et de produits de fission en concentrations très hétérogènes.
- une zone b) de l'ordre de 80 pm située dans le jeu oxyde-gaine riche en produits de fission, dont la répartition est très hétérogène, avec des inclusions métalliques riches en fer et en nickel.
IV.2 - Répartition radiale des éléments U, Pu, Cs
On observe principalement (Figure 8) :
- une zone très appauvrie en plutonium en périphérie du combustible
- une accumulation du césium dans les phases grises.
IV. 3 - Diffusion du carbone dans les gaines en acier au-iténitigue
Le profil de distribution du carbone présenté sur la figure 9 a été déterminé sur la gaine d'un élément combustible carbure en acier 316 hypertrempé (de teneur initiale en carbone égale à 560 ppm) irradié à un taux de combustion de 4,1 at %.
Les mesures ont été effectuées sur deux rayons diamétralement opposés tous les dix micro-mètres (un seul rayon est représenté sur la
figure 9).
Les rectangles d'erreur entourant les points expérimentaux tradui- sent les incertitudes sur :
- le diamètre de la tache de sonde - le comptage
Le premier point de mesure situé i 10 yn du Lord de la gaine est entiché d'une incertitude supplémentaire due aux effets de bord.
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La carburation est importante sur la face intérieure de la gaine où elle atteint 1,2 \ , la profondeur de pénétration du carbone étant de l'ordre de ISO pm. La légère remontée de la teneur en carbone sur la face externe est attribuée a la carburation par le sodium du réacteur.
IV.4 - Répartition du Xe et du Cs dans une section d'élément combustible PWR
La figure 10 met en évidence les points suivants :
- le xénon est occlus dans la matrice d'UO_ sur une couronne péri- phérique d'environ 1 mm d'épaisseur correspondant à des températures de
fonctionnement inférieures à 1150 "C.
- une accumulation importante du césium en périphérie du combustible
- un enrichissement en plutonium en périphérie de l'UO.
- une relation étroite entre la structure métallographique et les phénomènes de dégagement et de migration des produits de fission Xe et Cs.
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CRAYON COMBUSTIBLE DU TYPE EAU ORDINAIRE
Fermeture du queusol Queusct
Bouchon supérieur Soudure supérieure
Ressort
Chambre d'expansion
Pastille isolante
Gaine
Pastilles combustibles
Pastille isolante Soudure inférieure
Bouchon inférieur
COUPE PARTIELLE MONTRANT LE PASSAGE DU FAISCEAU OE RAYONS X A TRAVERS LES BUNDAGES
CHATEAU DE TRANSFERT
TRANSFERT CASK
Vue de face
Front view
CAMECA le 15-12-71CHATEAU DE TRANSFERT
TRANSFERT CASK
A . J
Vue de cote
Side view
CAMECA le 15-12-71
I n f l u e n c e - oc \<\ a\s*Vciinct- c f iitft) - tenant» Oovi
L en mm
*3c<>
Jfo 4ov
-C3-
X
f i l l / J lys». 3o mm
Gaine
Sn
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, 4». - ' * » .
Pc Ml
Cr
S E C T I O N 1
MnMo Te
Cs Pd Pu
te
x £00
S E C T I O N 2
60
40
REPARTITION Uy Pu f Cs
DANS LA PHASE EN PERIPHERIE DE L'OXYDE MIXTE DE VIKING H
20
tfcPu
int [limite r
gaine ptvase^rise
2pOt limite ' phase
rise
_ . . . . j
gain
F
FiB 20
Figure 3
— Teneur moyenne : 4 300 ppm
200 300 400
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