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Submitted on 1 Jan 1984
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APPLICATION DE LA MICROSONDE BLINDÉE À L’ANALYSE DE RÉSIDUS DE DISSOLUTION DES
COMBUSTIBLES NUCLÉAIRES
M. Perrot, M. Trotabas
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M. Perrot, M. Trotabas. APPLICATION DE LA MICROSONDE BLINDÉE À L’ANALYSE DE
RÉSIDUS DE DISSOLUTION DES COMBUSTIBLES NUCLÉAIRES. Journal de Physique Collo-
ques, 1984, 45 (C2), pp.C2-825-C2-828. �10.1051/jphyscol:19842189�. �jpa-00223864�
APPLICATION DE LA MICROSONDE B L I N D E E A L'ANALYSE DE R E S I D U S DE DISSOLUTION DES COMBUSTIBLES N U C L E A I R E S
M. Perrot et M. Trotabas
I.R.D. I., D.M.E.C.N., Dgpartement de TechnoZogie, Service d e s EZGments CombustibZes e t S t m c t u r e s , Section d fExpzo2tation du L. E. C. I., Connnissariat d Z'Energie Atomique, Centye d f E t u d e s NucZ6a<res de SaeZay,
91191 Gif-sup-mette Cedex, France
R6sumc-5 - Deux techniques de preparation pour analyse la microsonde blindee -sidus de dissolution des combustibles nucleaires ont 6te mises au point.
Elles permettent de s'affranchir de difficult& liees leur trPs faible taille
(%
1 l.lm) et leur trPs forte radioactivite.
Abstract - Nuclear fuel residues insoluble in nitric acid have been prepared for microprobe examination. Two methods have been developed. They permit ts over come difficulties owed to the particle small size and high radioactivity level.
I - INTRODUCTION
Dans une centrale nucl4aire la chaleur provient de la fission des noyaux d'uranium contenus dans le combustible.
La fission se produit lorsque l'absorption d'un neutron par un noyau lourd cr6e un nouveau noyau instable qui se scinde en deux noyaux dont l'ordre de grandeur des masses est la moitie de la masse initiale. Les fragments de fission sont toujours radioactifs, ils emettent
2ou
3neutrons (qui entretiennent la reaction) ainsi que des rayonnements
aet
8 .Ces produits de fission peuvent Gtre classes en 5 groupes
:- les produits de fission gazeux
:Xe, Kr, Tritium,qui sont soit occlus dans le combustible, soit relzches dans le volume libre.
- les produits de fission volatils migrant la peripherie du combustible
:Cs, I, Te.
- les produits de fission solubles dans la matrice
:une partie du zirconium, l'yttrium, le nickel et les terres rares, forment des oxydes du type
M02ou
M203
plus ou moins stables qui sont solubles dans le combustible.
- les inclusions non'metalliques
:le baryum et le strontium formant des oxydes peu solubles dans la matrice s'allient au zirconium et conduisent
ides compo- ses du type zirconate de baryum contenant de l'uranium.
- les inclusions metalliques
:ce sont essentiellement le molybdsne, le techn6- cium, le ruthdnium, le rhodium et le palladium. Leur taille et leur composition sont directement lides aux conditions de fonctionnement de 1 '616ment combusti- ble (puissance lineaire, combustion massique).
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19842189
JOURNAL DE PHYSIQUE
Le retraitement du combustible irradi6 a pour but de s6parer ses diff6rents constituants : l'uraniurn, le plutonium, les produits de fission et la gaine, afin de pouvoir r6utiliser les matieres fissiles non consomm6es. On opere par dissolution dans l'acide nitrique concentr6 et chaud. Les produits de fission sous forme d'inclusions metalliques ainsi que la gaine en zirconium ne sont pas dissous, d'oG leur denomination de r6sidus de dissolution.
La gaine peut Etre s6paree facilement tandis que les produits de fission metal- liques non dissous sont difficiles & r6cup6rer en raison de leur tres faible tai 1 le (environ
1
pm ou moins). 11s peuvent s'accumuler dans les filtres et y engendrer une activite radioactive tres importante. Ces produits peuvent contenir de la matiere fissile, i l est donc necessaire de pouvoir d6terrniner avec pr6ci- sion leur composition pond6rale et, en particulier, la presence 6ventuelle d'uranium et de plutonium.I1
-
METHODES DE PREPARATIONLes r6sidus de dissolution provenant essentiellement des inclusions m6talliques form6es dans le combustible en cours d'irradiation, deux m6thodes d16tude sont
& priori possibles :
1 -
L'analyse des inclusions m6talliques dans des sections polies d16l6ments combustibles irradi6s.2
-
L'analyse "directe" des r6sidus de dissolution, une fois isol6s.Les produits de fission metalliques 6tant de tres petite taille,
i l
est indis- pensable de s'affranchir de l'influence de la matrice en U02. Pour cela nous avons 6t6 amen6s 2 faire une extraction des inclusions par r6plique de carbone.Un 6chantillon de 5 mm de hauteur est tronconn6, enrob6 2 l'araldite puis poli automatiquement en cellule blind6e. L16chantillon subit ensuite une attaque ionique de maniere & faciliter l'extraction ult6rieure des pr6cipit6s, puis est d6senrob6.
0
Un film de carbone ( s 100
-
200A)
est d6pos6 sur la face polie de 1 '6chantillon.Dissolution du combustible et r6cup6ration de la r6plique :
Les diff6rentes operations devant Etre r6alis6es en cellule blindee, il a 6t6 n6cessaire de concevoir et de mettre en oeuvre un montage sp6cialement adapt6 2 ces conditions permettant la dissolution du combustible et la r6cup6ration ais6e de la r6plique 6vitant notamment tout "collage" de la r6plique le long des parois de 1 'installation.
L16chantillon est d6pos6 dans une coupelle. Un tube guide en verre est ensuite place autour de 116chantillon pour canaliser la r6plique.
L'acide nitrique dilu6 (10 N ) est alors introduit et l'on entame 116tape de dissolution du combustible. Apres quelques heures, la r6plique se d6colle et vient flotter 2 la surface de l'acide nitrique. On leve alors le tube guide de manisre 2 pouvoir 6vacuer la coupelle contenant la gaine et les fragments de combustible non dissous. Le tube guide est ensuite descendu jusqul& ce que son extr6mit6 basse vienne se placer dans la rainure pr6vue & cet effet dans le porte 6chantillon. L'acide nitrique est alors renouvel6 et une attente de plusieurs heures est n6cessaire de maniere 2 dissoudre les fragments de combustible qui auraient pu Stre entrain& par la r6plique.
p r o d u i t s m6tal l i q u e s : Ru ( 1 %), Rh (1 %), Pd ( 1 %), r 6 a l i s 6 p a r f r i t t a g e . L'examen de l a r 6 p l i q u e i l ' a i d e d ' u n microscope 6 l e c t r o n i q u e
i
t r a n s m i s s i o n a mis en evidence 1 'e x c e l l e n t e e x t r a c t i o n des i n c l u s i o n s m 6 t a l l i q u e s .Pour l ' a n a l y s e
i
l a microsonde l e s i n c l u s i o n s ne s o n t pas r e p g r a b l e s optiquement i cause de l e u r t a i l l e e t de l a r 6 p l i q u e de carbone. C e l l e s c i s o n t donc rep6r6es p a r image en 6 l e c t r o n s absorb& p u i s p a r tatonnement en r e c h e r c h a n t 1 1 i n t e n s i t 6 maximum de l a r a i e L a du molybdene ou du ruth6nium.L'enrobage
i
l ' a i d e de r 6 s i n e s de t y p e epoxy ( a r a l d i t e ) 6 t a n t i n c o m p a t i b l e avec l e s c o n d i t i o n s d'examen i l a microsonde b l i n d e e , l a premiere s o l u t i o n e n v i - sag6e a 6 t 6 un enrobage m 6 t a l l i q u ei
l ' a i d e d ' u n a l l i a g ei
bas p o i n t de f u s i o n de t y p e Bi-Sn employ6 classiquement. Malheureusement, des e s s a i s p r g l i m i n a i r e s o n t montr6 que ces a l l i a g e s ne m o u i l l e n t pas l e s poudres m e t a l l i q u e s .On s ' e s t a l o r s o r i e n t 6 v e r s l a f a b r i c a t i o n de composites f e r - r e s i d u s p a r l e s techniques c l a s s i q u e s de l a m 6 t a l l u r g i e des poudres (compression e t f r i t t a g e ) . Le f e r (sous forme de poudre ex-carbonyle) a 6 t 6 c h o i s i pour sa bonne compressi- b i l i t 6 e t sa d i s s o l u t i o n r e l a t i v e m e n t a i d e dans l ' a c i d e n i t r i q u e f r o i d .
L a mise en forme de l a p a s t i l l e de melange f e r - r 6 s i d u s e s t r 6 a l i s 6 e dans un ensemble presse o u t i l l a g e t616manipulable sous une p r e s s i o n de 2000 bars. Les q u a n t i t 6 s de r 6 s i d u s 6 t a n t t r h s f a i b l e s nous employons une m6thode de "sandwich"
( f e r / f e r
-
r @ s i d u s / f e r ) . Les p a s t i 1 le s apres compression r e s t e n t f r a g i l e s , e l l e s s o n t donc f r i t t 6 e s sous argon dans un f o u r 2 h a u t e fr6quencei
une temperature de 600 "C pendant 5 heures.Les a u t r e s phases menant i l ' e x t r a c t i o n des r 6 s i d u s de l e u r m a t r i c e m 6 t a l l i q u e ( f e r ) e t 2 l e u r examen 2 l a microsonde b l i n d 6 e s o n t en t o u s p o i n t s analogues aux 6tapes correspondantes dans l e cas de 1
'
analyse des i n c l u s i o n s m 6 t a l l iques e x t r a i t e s des s e c t i o n s p o l i e s d1616ments combustibles.I 1 1
-
ANALYSE A LA MICROSONDE BLINDEE MS 46Le chevauchement des r a i e s c a r a c t 6 r i s t i q u e s des d i f f 6 r e n t s 616ments i l l u s t r 6 s u r l a f i g u r e j o i n t e i m p l i q u e l a n 6 c e s s i t 6 d ' u n t r a i t e m e n t i n f o r m a t i q u e . C e t t e s i t u a t i o n nous o b l i g e t r a i t e r l e s s p e c t r e s en comparant l e s s u r f a c e s des p i c s e t non l e s i n t e n s i t & comme h a b i t u e l l e m e n t . E t a n t en possession d ' u n e microsonde CAMECA MS 46 ( p o u r 6 c h a n t i l l o n s r a d i o a c t i f s ) , il nous a f a l l u m e t t r e au p o i n t un programme d ' a c q u i s i t i o n des s p e c t r e s s u r un m i n i - o r d i n a t e u r MULTI 20.
Ce programme permet l a mise en memoire des s p e c t r e s d i 6 m i s s i o n des &chianti 1 lo n s a u s s i b i e n que des & t a l o n s avec des pas v a r i a b l e s e t des temps d ' a c q u i s i t i o n a j u s t a b l e s p a r 1 ' u t i l i s a t e u r .
Un a u t r e programme permet de r e p 6 r e r chaque p i c du s p e c t r e d a 6 m i s s i o n de l ' 6 c h a n - t i l l o n e t de l e s comparer avec l e s r a i e s des s p e c t r e s des d i f f 6 r e n t s t6moins.
I 1 s e r a p o s s i b l e e n s u i t e de comparer l e s s u r f a c e s 6 c h a n t i l l o n / t 6 m o i n apres s6pa- r a t i o n des r a i e s p a r d 6 c o n v o l u t i o n .
JOURNAL DE PHYSIQUE
