Seymour Goldberg. / "January 9, 1950." / Bibliography: p. 19. / Army Signal Corps Contract No. W36-039-sc-32037 Project No. 102B Dept. of the Army Project No. 3-99-10-022

Ce travail s’inscrit dans le programme de recherche sur les réacteurs nucléaires de « génération IV » à caloporteur sodium. Un des verrous technologiques à lever concerne le contrôle de la corrosion des matériaux (matériaux de structure, gaines des combustibles, etc.) par le sodium liquide. Un des paramètres clé est la teneur en oxygène dissous dans le caloporteur. Cette thèse porte sur l’élaboration et la caractérisation de matériaux céramiques de type ThO2 dopé avec Y2O3 pour la réalisation de sondes potentiométriques à oxygène utilisables dans le sodium liquide. Des travaux ont été effectués et des sondes ont été testées par le passé, cependant les sondes présentaient généralement, à l’époque, une absence de fiabilité dans le temps. L’objectif de cette thèse est d’élaborer et de caractériser des électrolytes à base d’oxyde de thorium dopé à l’oxyde d’ytrium à l’aide de techniques de synthèse permettant de contrôler la pureté, la taille des grains, la compacité, etc. Pour mettre en place les protocoles expérimentaux une céramique modèle a été choisie, la cérine dopée à l’oxyde d’yttrium. Les processus de transport ont été étudiés à l’aide de la spectrocopie d’impédance. Une interprétation des phénomènes de blocage de la conduction ionique dans les deux céramiques étudiées en fonction de la pression partielle d’oxygène a pu être proposée. / This PhD thesis was prepared within the framework of the research program on "Generation IV" nuclear reactors with sodium as coolant. One of the main technological problem concerns the control of the corrosion processes of the materials (structural materials, fuel claddings, etc.) by liquid sodium. A key parameter is the dissolved oxygen content in the coolant. This thesis focuses on the development and characterization of ceramic materials based on ThO2 doped with Y2O3 for making potentiometric oxygen sensor used in liquid sodium. Work has been carried out and probes were tested in the past, however, the probes had at the time, a lack of reliability. The objective of this thesis is to develop and characterize electrolytes based on thorium oxide doped with yttrium oxide using specific synthesis techniques to control purity, grain size, compactness, etc. To develop experimental protocols a ceramic model has been chosen, i.e., yttria-doped ceria. Transport processes were studied using the impedance spectroscopy technique. An interpretation of the blocking phenomena of the ionic conduction in both ceramics as a function of the oxygen partial pressure has been given.

Dans le cadre du développement du démonstrateur de réacteur de IVème Génération ASTRID (Advanced Sodium Fast Reactor for Industrial Demonstration), une sonde potentiométrique permettant de réaliser une mesure spécifique et précise de l’oxygène dissous dans le sodium, redondante et diversifiée par rapport à l’indicateur de bouchage, est en voie d’élaboration. Celle-ci inclut une céramique électrolyte, la thorine yttriée, qui en constitue un élément essentiel. Ce travail de thèse a donc consisté à évaluer les propriétés d’un tel électrolyte solide, dont sa conduction ionique et sa durabilité en sodium, en fonction de paramètres microstructuraux afin d’en optimiser les conditions d’élaboration.La première partie de ce travail de thèse a porté sur la préparation d’échantillons frittés d’oxydes mixtes Th1-xYxO2-x/2 (0,01 ≤ x ≥ 0,22) de microstructures variées. Après co-précipitation oxalique des cations, les précurseurs ainsi que les oxydes résultant de leur conversion ont fait l’objet de caractérisations structurale, morphologique ou chimique poussées. Par la suite, l’étape de densification conduisant à l’élaboration de cartes de frittage a consisté à maîtriser la microstructure des céramiques et ainsi répondre aux contraintes fixées par l’application visée (densité élevée, faible taille de grains). En outre, les propriétés de conduction des échantillons ont été évaluées par spectroscopie d’impédance. Un maximum de conductivité a été relevé pour des teneurs d’yttrium comprises entre 8 et 15 mol.%.Les céramiques préparées ont ensuite été testées dans le sodium liquide à 500°C pendant plusieurs centaines d’heures. Dans les conditions expérimentales retenues, alors qu’aucun signe de corrosion n’a été observé à la surface des matériaux, les fractographies ont mis en évidence deux faciès de rupture différents indiquant une pénétration du sodium aux joints de grains. Des mesures par spectroscopie d’impédance après corrosion ont en outre montré une réponse différente du signal électrique, notamment au niveau des phénomènes de blocages. Par ailleurs, l’ajout volontaire d’impuretés a été réalisée au sein de certaines céramiques (Al, Zr et Si jusqu’à 1 mass.% ). Alors que de telles impuretés n’entraînent que de légères modifications microstructurales (diminution de la taille de grains), un effet délétère a pu être constaté quant à la tenue au sodium lors de l’incorporation de silicium ou de fortes teneurs de zirconium. / In the field of the development of a fourth generation nuclear reactor demonstrator, ASTRID (Advanced Sodium Fast Reactor for Industrial Demonstration), an electrochemical sensor, allowing accurate and specific measurement of dissolved oxygen in liquid sodium, is currently under development. One critical point of this device is the solid electrolyte, such as yttrium-doped thoria. Several properties of the solid electrolyte such as ionic conductivity and resistance to sodium corrosion were analyzed as a function of microstructure, in order to optimize the conditions of elaboration.First, sintered Th1-xYxO2-x/2 (0,01 ≤ x ≥ 0,22) ceramics showing various microstructures were prepared. In this aim, the starting oxalate precursors as well as the final oxides obtained after conversion were thoroughly characterized from structural, microstructural and chemical points of view. Furthermore, densification of the oxide samples was investigated to build sintering maps (average grain size vs. relative density). They further led to determine the optimal sintering conditions required to address the specifications of the electrolyte ceramic. In addition, electric properties of the ceramics were characterized by impedance spectroscopy. The results obtained showed the existence of a maximum of conductivity between 8 and 15 mol.% of yttrium incorporation rate.Thus, the compatibility of the ceramic with liquid sodium was undertaken at 500°C during several hundred hours. For experimental conditions considered, no sign of corrosion was evidenced at the surface of the samples while fracture of the pellets showed two different habits (trans- and intergranular) indicating a penetration of sodium through the grain boundaries. Post-mortem electric characterization revealed significant variation of the conductivity, especially concerning grain boundary contributions.Finally, similar experiments were developed on samples incorporating impurities on purpose (Al, Zr and Si up to 1 mass.%). While the incorporation of such impurities only causes slight microstructural change, a significant deleterious role on the resistance to liquid sodium was noted for silicium and high zirconium contents (1 mass.%).

<p>  </p> <p>The next generation of nuclear reactor designs promise to provide clean, safe, and efficient energy to address our current climate crisis. But with these new technologies, nuclear fuel materials must be carefully designed and understood to meet these demands. Candidate oxide and metallic nuclear fuel materials being considered for use in these new reactor technologies, despite their potential, still have significant remaining materials challenges in understanding their long-term performance and integrity under extreme reactor conditions. As such these candidate fuels require extensive materials characterization to understand their long-term performance under reactor conditions. The objective of this study is to evaluate the microstructural evolution of candidate fuels U-50wt%Zr and ThO2 under the following contexts: 1) Investigation of phase stability in candidate metallic fuel U-50wt%Zr under thermal and irradiation treatment; 2) Investigate localized thermal properties of candidate oxide fuel ThO2 under irradiation through a novel correlative microscopy approach. </p> <p>The influence of thermal and irradiation treatment on phase stability in δ-U50wt%Zr was investigated through conventional APT-TEM methodology. U-Zr is a candidate metallic fuel for advanced fast reactor applications. However, there is still work remaining to better understand how these materials evolve under extreme reactor conditions, especially for the δU-50wt%Zr composition. Metallic fuels are susceptible to significant chemical redistribution under extreme conditions resulting in potential degradation of fuel properties and performance. In these experiments, U-50wt%Zr was subjected to thermal annealing and proton irradiation respectively. These treatments produced very different modulated structures in U-50wt%Zr, and the implications of such on phase stability in U-50wt%Zr will be discussed.</p> <p>Additionally, long-term nuclear reactor operation hinges upon efficient thermal transport in nuclear fuels. There is a critical need to understand localized thermal transport in these materials to enable intelligent design of high-performance fuels. A novel correlative atom probe tomography (APT)-transmission electron microscopy (TEM) approach was developed to investigate the influence of irradiation defects on localized thermal diffusivity in ThO2 upon proton irradiation, and implications of such results will be discussed. </p>