Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire (M.Sc.)- Université du Québec à Chicoutimi, 1975. / "Thèse présentée dans le cadre du programme UQ d'études avancées en énergie pour l'obtention du grade de la maîtrise es science (énergie)". CaQCU Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Le combustible nucléaire utilisé dans les réacteurs actuels doit répondre à une spécification de composition en ²³⁵U différente de celle de l’uranium naturel. Il est alors nécessaire de procéder à un enrichissement en part fissile avant de fabriquer le combustible utilisé en réacteur. Cet enrichissement est réalisé par centrifugation en phase gaz en utilisant l’uranium sous forme d’hexafluorure d’uranium UF₆. Ce composé clé est fabriqué par l’usine COMHUREX à partir de UF₄, et doit répondre à des exigences de pureté, et sa manipulation, à des exigences de sécurité. Cette molécule est très réactive sous forme gazeuse ou liquide et une corrosion du dispositif industriel métallique est constatée. Cette corrosion doit être étudiée afin d’envisager la pollution causée par les produits de corrosion ou encore la durée de vie de l’installation. L’enjeu de cette thèse est de combler les insuffisances de la littérature sur la question de la corrosion par UF₆ liquide à 80°C, qui n’a jusqu’alors pas fait l’objet de recherches publiées. Des équipements adaptés à la réalisation d’essais de corrosion en milieu nucléaire, à 80°C et 3 bars de pression, et des procédures anoxiques d’analyses de ces essais ont dû être mis en place. La réalisation d’essais de corrosion du fer, matériau modèle, par UF₆ liquide à 80°C a ensuite pu être entreprise afin de déterminer la nature des produits de corrosion, la structure de la couche de corrosion et la cinétique de la réaction entre le fer et UF₆ liquide à 80°C. Ces informations ont pu permettre une réflexion sur le mécanisme de corrosion. Ce manuscrit présente le dispositif et la procédure d’essai mise en place permettant la réalisation d’essais de corrosion puis les résultats obtenus. La nature et la structure de la couche de corrosion ont été obtenues grâce aux précautions anoxiques utilisées tout au long des essais réalisés. Deux comportements distincts sont observés. L’origine expérimentale de cette divergence est discutée. La réflexion sur les observations expérimentales, telles que la nature ou les rapports d’épaisseurs des différentes couches, permet de proposer différentes hypothèses sur le mécanisme de corrosion. Un mécanisme de corrosion du fer par UF₆ liquide à 80°C est donc proposé. / The nuclear fuel used in today’s power plants requires a precise uranium isotope composition which is different from natural uranium. Thus, an enrichment process is required, for which gaseous centrifugation is employed using uranium hexafluoride (UF₆). This compound is obtained by fluorination of UF₄ and its handling is submitted to security issues. This compound is highly reactive, in gaseous or liquid state, and the metallic industrial production setup is corroded, leading to solid residues at process temperatures. This corrosion has to be considered in order to predict both the process efficiency (purity, output) and the resulting industrial issues (setup lifetime, corking). This study aims at understanding liquid uranium hexafluoride corrosion at 80°C, which remains unstudied to this day. A dedicated novel test setup along with adapted analysis precautions have been developed in order to perform reliable experiments and corrosion products identification, since those products and UF₆ are moisture sensitive. This study mostly focused on the corrosion of iron as a model material in liquid UF₆. The experimental results obtained, allowed us to follow the evolution of the structure and the nature of the corrosion layer. Two different kinds of layer have been observed and the experimental origin of this divergence is discussed. With those experimental results, a corrosion mechanism is suggested for the corrosion of iron in liquid uranium hexafluoride at 80°C.

Th.--Sci. phys.--Nancy--I.N.P.L., 1985.

Lors de l'extinction d'un arc de disjoncteur, on observe une brutale diminution de la conductance de l'arc, le plasma est alors soumis à un fort soufflage qui peut conduire à des écarts à l'équilibre chimique. Les modèles fondés sur l'hypothèse de l'équilibre thermodynamique local (E.T.L.) prévoient une diminution de la conductance mais ne rendent pas bien compte de l'ensemble des mécanismes régissant l'extinction. La forte convection est responsable de la présence d'une certaine quantité de gaz froid qui n'a pas été totalement dissocié dans les parties chaudes du plasma. Les particules froides peuvent se recombiner rapidement avec les électrons ce qui modifierait la résistivité du milieu. Pour mettre en évidence ce phénomène qui apparaît dans les disjoncteurs nous avons développé un modèle de l'extinction d'un arc de SF6 pour une géométrie simplifiée à deux dimensions. Ce modèle couple un modèle de cinétique chimique avec un modèle hydrodynamique et permet de calculer les densités des espèces. La mise en place de ce modèle s'est caractérisée par des calculs préliminaires pour l'initialisation : la composition du plasma à l'équilibre est obtenue à l'aide d'un modèle collisionnel ; un modèle hydrodynamique à deux dimensions a été développé et nous permet de calculer les champs de température et de vitesses en régime stationnaire. Le modèle a été complété par une étude sur la cinétique du SF6 qui nous a permis de mettre en évidence les différents processus réactionnels qui gouvernent la disparition des électrons. Nous avons simulé l'extinction de l'arc pour une intensité initiale de 50 A et pour des pressions fixées à 0.1 et 0.4 MPa, le modèle cinétique est couplé au modèle hydrodynamique à partir de l'équation des gaz parfaits et de la relation liant la densité de masse aux densités des espèces. Les principaux résultats du modèle hydrodynamique confirment que la vitesse de refroidissement est de l'ordre de -108 K.s-1. Les résultats sur la cinétique montrent que la convection agit sur les molécules de S2 qui se retrouvent, au bord de la décharge et pour des températures comprises entre 4000 K et 6000 K, en surpopulation par rapport à l'équilibre. Par processus d'échange de charge entre les particules S2 et S+ la surpopulation de S2 va conduire à une surpopulation des ions S2+. Ces ions vont principalement se recombiner avec les électrons provoquant une baisse de la population électronique, et une modification de la résistivité du milieu.

Ce mémoire traite de l’apport expérimental de la spectroscopie infrarouge à la compréhension des processus d’adsorption mis en jeu au cours de l’interaction d’un gaz pur avec un matériau nanoporeux. Le travail concerne plus particulièrement une étude fondamentale de l’adsorption de l’éthylène, du trichloroéthylène, du tétrachloroéthylène, de l’hexafluorure de soufre et du p-xylène sur des zéolithes MFI, notamment la silicalite-1. La première étape de ce travail de thèse a consisté à mettre au point un nouveau dispositif expérimental et une méthode d’analyse afin d’acquérir des données d’absorption infrarouges fiables tout en améliorant les performances du prototype réalisé dans le cadre d’études antérieures. L’un des apports majeurs de ce travail est de pouvoir suivre, pour la première fois, semble-t-il, l’évolution des bandes de structure de la zéolithe au cours du processus d’adsorption. De plus, dans le cas particulier de l’adsorption du trichloroéthylène, du tétrachloroéthylène ou du p-xylène, le spectre infrarouge de la zéolithe subit de profondes modifications au cours de l’accumulation des molécules dans la microporosité du matériau. Ces modifications qui se manifestent par sauts successifs à des remplissages déterminés, ont été corrélées aux changements de structure de l’adsorbant mis en évidence par ailleurs par d’autres techniques expérimentales. Un autre point fort de ce travail concerne la caractérisation de la phase adsorbée tout au long du processus d’adsorption. D’une façon générale, le confinement des molécules dans la microporosité de la zéolithe induit essentiellement de faibles modifications de la position des bandes de vibration du fluide adsorbé, de l’ordre de quelques cm-1, sans en affecter pour autant leur allure. L’aire de ces bandes augmente proportionnellement avec la charge, dans le cas de l’adsorption de l’éthylène, du trichloroéthylène ou de l’hexafluorure de soufre. En revanche, cette relation de proportionnalité n’est plus vérifiée dans le cas de l’adsorption du tétrachloroéthylène ou du p-xylène. Pour ces systèmes avec lesquels ont été observées des isothermes à sous marche, l’aire des bandes de la phase adsorbée reste constante, en particulier dans le domaine de remplissage compris entre 3 et 6 moléc.maille-1. L’hypothèse de la formation de dimères est avancée pour rendre compte de cette singularité dans ce domaine de remplissage. / This manuscript is devoted to the study of adsorption processes by FTIR spectroscopy. The experimental results concern the adsorption of ethylene, trichloroethylene, tetrachloroethylene, sulfur hexafluoride or p-xylene on MFI zeolites, more especially on silicalite-1. The first step of the work was to develop a new experimental device and procedure in order to obtain reliable absorption infrared data and to improve results previously obtained by a prototype. The first main result is to characterize, maybe for the first time, the evolution of the spectrum of the adsorbent all during the adsorption process. Experiments reveal that the zeolite infrared spectrum undergoes strong modifications when trichloroethylene, tetrachloroethylene or p-xylene molecules are adsorbed. These modifications have been correlated to adsorbent phase transitions characterized elsewhere by other experimental techniques. Another main result concerns the characterisation of the adsorbed phase during the accumulation of molecules in the zeolite. From a general point of view, the confinement of admolecules inside microporosity induces small shifts of vibrational bands of the adsorbed phase without significant modification of their shape. In contrast, the area of these bands depends on the nature and the number of adsorbed molecules. Indeed, it linearly increases with loading for the adsorption of ethylene, sulfur hexafluoride or trichloroethylene. On the contrary, when stepped isotherms are obtained, that is the case for tetrachloroethylene or p-xylene adsorption, the area of these bands stay constant within a filling domain 3-6 molec.(u.c)-1. The assumption of the formation of dimeric structures is proposed to explain such a singular behaviour.

L’hexafluorure d’uranium (UF6), est le seul composé utilisé à l’état gazeux dans les procédés d’enrichissement pour la production du combustible nucléaire. Pour le bon déroulement de l’étape d’enrichissement, la qualité de UF6  est primordiale. Cette étude s’est intéressée principalement aux impuretés volatiles sous forme de fluorures et oxyfluorures et leur réactivité avec des matériaux en présence ou non de l’UF6. La nature des produits adsorbés et de réactions a été identifiée. Les mécanismes physico-chimiques mis en jeux lors de la sorption ont été investigués. Les performances (capacité de sorption, sélectivité et régénération) de ces matériaux absorbants et adsorbants ont été évaluées en vue de leur utilisation comme filtre UF6 dans les usines de conversion. / Uranium hexafluoride (UF6), is the only compound used in the gaseous state in the process of enrichment to produce nuclear fuel. For the success of the enrichment step, the UF6 quality is paramount. This study is mainly concerned with volatile impurities in form of fluorides and oxyfluorides and their reactivity with the materials in presence or not of UF6. The nature of the adsorbed compounds and reactions products was identified. The physico-chemical mechanisms of sorption were investigated. The performances (sorption capacity, selectivity and regeneration) of the absorbent and adsorbent materials have been evaluated to be used as UF6 filters in conversion plants.

Ce mémoire traite de l'apport expérimental de la spectroscopie infrarouge à la compréhension des processus d'adsorption mis en jeu au cours de l'interaction d'un gaz pur avec un matériau nanoporeux. Le travail concerne plus particulièrement une étude fondamentale de l'adsorption de l'éthylène, du trichloroéthylène, du tétrachloroéthylène, de l'hexafluorure de soufre et du p-xylène sur des zéolithes MFI, notamment la silicalite-1. La première étape de ce travail de thèse a consisté à mettre au point un nouveau dispositif expérimental et une méthode d'analyse afin d'acquérir des données d'absorption infrarouges fiables tout en améliorant les performances du prototype réalisé dans le cadre d'études antérieures. L'un des apports majeurs de ce travail est de pouvoir suivre, pour la première fois, semble-t-il, l'évolution des bandes de structure de la zéolithe au cours du processus d'adsorption. De plus, dans le cas particulier de l'adsorption du trichloroéthylène, du tétrachloroéthylène ou du p-xylène, le spectre infrarouge de la zéolithe subit de profondes modifications au cours de l'accumulation des molécules dans la microporosité du matériau. Ces modifications qui se manifestent par sauts successifs à des remplissages déterminés, ont été corrélées aux changements de structure de l'adsorbant mis en évidence par ailleurs par d'autres techniques expérimentales. Un autre point fort de ce travail concerne la caractérisation de la phase adsorbée tout au long du processus d'adsorption. D'une façon générale, le confinement des molécules dans la microporosité de la zéolithe induit essentiellement de faibles modifications de la position des bandes de vibration du fluide adsorbé, de l'ordre de quelques cm-1, sans en affecter pour autant leur allure. L'aire de ces bandes augmente proportionnellement avec la charge, dans le cas de l'adsorption de l'éthylène, du trichloroéthylène ou de l'hexafluorure de soufre. En revanche, cette relation de proportionnalité n'est plus vérifiée dans le cas de l'adsorption du tétrachloroéthylène ou du p-xylène. Pour ces systèmes avec lesquels ont été observées des isothermes à sous marche, l'aire des bandes de la phase adsorbée reste constante, en particulier dans le domaine de remplissage compris entre 3 et 6 moléc.maille-1. L'hypothèse de la formation de dimères est avancée pour rendre compte de cette singularité dans ce domaine de remplissage.

Ce travail porte sur la synthèse et la caractérisation de fluorures à base d’alcalins, d’alcalinoterreuxet de terres rares et sur la réactivité de ces composés vis-à-vis de ReF6 pour lapurification de UF6. L’étude traite dans un premier temps de la synthèse de fluorures tels queKMgF3, MgF2 et CaF2 en couplant une voie solvothermale assistée par micro-ondes et uneétape de fluoration à partir de fluor élémentaire (F2). Les techniques de caractérisationutilisées mettent notamment en avant le caractère basique au sens de Lewis de ces composéset la possibilité de contrôler leur surface spécifique et leur taux d’oxygène, à l’origine dessites basiques, via la température de fluoration (F2) en phase gaz. Dans un second temps, lasolution solide Ce1-xZrxF4 à base de Ce4+ et Zr4+ a été obtenue par fluoration directe d’oxydesmixtes à partir de fluor élémentaire dilué. L’étude par DRX et RMN du 19F montre laprésence d’une solution solide pour des compositions voisines de x=0,5. Enfin, la réactivité deReF6 et UF6 sur KMgF3, MgF2 et CaF2 montre que KMgF3 est un très bon candidat pour lapurification de UF6 vis-à-vis de ReF6, qui dépend à la fois de paramètres intrinsèques auxfluorures divisés (surface spécifique, taux d’oxygène, basicité, cations mis en jeu…) maisaussi du procédé de purification (température, temps de contact). / This work deals with the synthesis and characterization of alkali, alkali-earth and rare earthbased fluorides and the reactivity of the latter with ReF6 for UF6 purification. In a first part,we focused our attention on the synthesis of KMgF3, MgF2 and CaF2 high surface area metalfluorides coupling both microwave assisted solvothermal process and a fluorination step withelemental fluorine (F2). The higher the surface area, the higher the oxygen rate. Thesenanofluorides exhibit Lewis basic character. In a second part, several compositions of theCe1-xZrxF4 solid solution were synthesized by direct fluorination of mixed oxides usingelemental fluorine (F2). XRD an 19F NMR characterizations show the occurence of a newsolid solution for compositions close to x=0.5. Finally, the reactivity between ReF6/UF6 andKMgF3, MgF2 and CaF2 leads to conclude that KMgF3 is the best candidate for thepurification of UF6. This study indicates that the purification depends on several parameters :intrinsic parameters of the divided fluorides (surface area, oxygen rate, basicity, cations…)and parameters directly related to the process (temperature, contact time).