Developpement Accéléré de Matériaux résistants aux SELs fondus chlorures
Le développement accéléré de matériaux est un enjeu majeur pour toutes les industries et la résistance à la corrosion est d’autant plus importante pour les problématiques d’économies des ressources. Aussi, ce projet vise à estimer la résistance à la corrosion d’alliages FeNiMnCr dans un sel de chlorure en application aux réacteurs nucléaires à sels fondus en collaboration avec l’’université du Wisconsin qui a largement montré sa compétence dans le développement accéléré de matériaux pour les réacteurs à sels fondus de fluorures et de chlorures. Dans le cadre de ce post-doc, des dizaines d’échantillons d’alliages modèles quaternaires FeNiMnCr seront synthétisés par fabrication additive à l’université du Wisconsin en faisant varier la composition de sorte à cartographier au mieux l’intégralité du tétraèdre de composition. Ces échantillons ainsi qu’une nuance NiCr corrodée dans une large gamme de chimie du sel seront ensuite corrodés au CEA. L’intérêt de ces expérimentations est d’une part d’obtenir en très peu de temps (1.5 ans) une large base de donnée de corrosion sur les alliages FeNiMnCr mais aussi de cribler l’effet d’une large gamme de composition de sel sur un alliage modèle NiCr. Enfin ces expérimentations permettront de cibler les meilleurs matériaux pour étudier leurs mécanismes de corrosion.
Développement d’un microsystème d’électrophorèse capillaire automatisé couplé à un ICP-MS pour l’analyse isotopique et élémentaire
La détermination juste et précise des compositions isotopiques et des concentrations d’éléments par spectrométrie de masse est majeure dans de nombreux domaines de recherche dont les géosciences, l’environnement, le nucléaire ou encore la biologie. Afin d’obtenir des incertitudes de mesures les plus faibles possible, il est nécessaire de réaliser des séparations chimiques en amont de la mesure pour s’affranchir des interférences spectrales ou non spectrales. Dans la majorité des cas ces séparations sont réalisées par chromatographie en phase liquide à l’échelle conventionnelle, et analysés hors ligne par spectrométrie de masse. Les techniques de séparation électrocinétiques sont d’un intérêt majeur en raison des très faibles volumes d’échantillons engagés et des très faibles volumes de déchets générés.
L’objectif de ce projet post doctoral est la transposition des séparations électrophorétiques en capillaire dans un microsystème séparatif, basé sur la technologie microfluidique. Ce microsystème séparatif sera dédié à la séparation d’éléments et devra être couplé à un MC-ICP-MS sans dégrader la séparation. L’atout majeur de ce microsystème sera de disposer d’un dispositif automatisé et ainsi d’augmenter la cadence d’analyse des échantillons tout en conservant les mêmes performances analytiques. Dans le cas d’échantillon nucléaires un autre avantage sera de limiter les débits de doses et les déchets générés lors des procédures d’analyse d’échantillons radioactifs.
Compréhension et modélisation des propriétés thermodynamiques et cinétiques du combustible MOX dans les réacteurs du futur
Cette étude s’inscrit dans le cadre des projets de Réacteur à Neutrons Rapides à caloporteur sodium. Le dioxyde d’uranium et de plutonium (U,Pu)O2, appelé MOX, est le combustible de référence. En fonctionnement, les pastilles de combustible sont soumises à un fort gradient thermique qui induit des phénomènes de transport, de thermo-diffusion et de vaporisation, couplés à des effets d’irradiation. Les codes de performance des combustibles sont développés pour simuler le comportement des aiguilles de combustible en condition nominale et incidentelle, jusqu’à la fusion.
L’objectif de cette étude est d’améliorer le modèle thermocinétique du MOX utilisé dans ces codes. Ce modèle repose sur la description du système U-Pu-O avec la méthode CALPHAD, couplée à une base de données de mobilités des éléments, développée avec le logiciel DICTRA. La description des défauts sera étendue avec l’introduction des lacunes métalliques et de clusters d’oxygène. La description des données thermodynamiques (potentiel d’oxygène et capacité thermique) et du diagramme de phase sera également améliorée en prenant en compte les données les plus récentes. Enfin, la base de données de mobilité, couplée au modèle Calphad, sera améliorée pour mieux décrire la diffusion dans le MOX. Les nouvelles données expérimentales mais aussi les données calculées par des méthodes de calcul à l’échelle atomique (dynamique moléculaire, ab-initio) seront utilisées.
Optimisation de la durabilité d’alliages métalliques à haute température : exploration de nouvelles conditions d’oxydation
Le projet exploratoire OPTIMIST a pour objectif d’augmenter la durée de vie des alliages métalliques (alumino- et chromino-formeurs) par formation d’une couche d’oxyde protectrice comme cela est quasiment toujours le cas pour protéger la corrosion des alliages. La grande originalité d’OPTIMIST consistera à former une couche d’oxyde possédant un minimum de défauts structuraux 0D (défauts ponctuels) et 2D (joints de grains). Cet objectif reposera sur deux stratégies distinctes : la première consistera à former une couche d’oxyde dite endogène, c’est-à-dire par pré-oxydation du substrat en choisissant minutieusement les conditions de pré-oxydation (température, milieu oxydant, pression partielle en oxygène) dans deux types de Rhines Pack spécifiquement développés au CEA/DES et à l’IJL, la seconde consistera à former une couche d’oxyde dite exogène, c’est-à-dire créée par une technique de dépôt : le HiPIMS récemment mis en service au CEA/INSTN. Différentes conditions de pré-oxydation (pour la couche endogène) et de procédé (pour la couche exogène) seront investiguées puis leurs défauts 0D et 2D seront caractérisés au SIMaP par un couplage inédit de techniques de pointe tant structurale (TEM-ASTAR) que chimique (sonde atomique, SIMS, nano-SIMS) et électronique (photoélectrochimie PEC). Enfin ces échantillons caractérisés seront corrodés dans deux milieux (sous air et en milieux sels fondus) à hautes températures (600°C pour les sels au CEA/DES, et 800 et 1000°C pour l’air à l’IJL et au SIMaP) pour juger de l’efficacité de la protection par rapport à une pré-oxydation usuelle. Les étapes de croissance de l’oxyde, sa stœchiométrie et sa microstructure (taille et forme des grains, nature des joints de grains) seront ainsi identifiées en fonction des conditions de croissances endo et exogènes de sorte à les maîtriser pour parvenir à une couche d’oxyde contenant le moins de défauts possible.
Synthèse, caractérisation et modélisation moléculaire des phases M-(A)-S-H
Le principal produit d’hydratation des ciments à base de magnésium et silicate est le silicate de magnésium hydraté (M-S-H), dont la composition évolue avec le temps et les interactions environnementales [réfs. 1,2]. Les rapports Mg/Si varient de 0,67 à 1,5, avec une teneur en eau variable et une possible incorporation d’aluminium. Les modèles atomistiques des phases M-(A)-S-H restent largement inexplorés [réf. 4], et la plupart de leurs propriétés sont encore inconnues, ce qui complique l’établissement de relations composition–propriétés.
Ce projet vise à élucider la structure atomique des silicates de magnésium hydratés (alumino)silicatés (M-(A)-S-H), en combinant techniques expérimentales et simulations atomistiques, et à estimer leurs propriétés mécaniques. L’étude se concentrera sur des compositions de M-(A)-S-H pertinentes pour les applications nucléaires ou les matrices cimentaires bas carbone
Impact de la microstructure dans le dioxyde d’uranium sur de l’endommagement balistique et électronique
Lors de l'irradiation en réacteur, les pastilles de combustible subissent des modifications microstructurales. Au-delà de 40 GWd/tU, une structure High Burnup Structure (HBS) apparaît en périphérie, où les grains initiaux (~10 µm) se subdivisent en sous-grains (~0.2 µm). Près du centre, sous haute température, des sous-grains faiblement désorientés se forment. Ces évolutions résultent de la perte d'énergie des produits de fission, générant des défauts tels que dislocations et cavités. Pour étudier l'effet de la taille des grains sur ces dommages, des échantillons de UO2 nanostructurés seront synthétisés au JRC-K par frittage flash. Des irradiations ioniques seront menées à JANNuS-Saclay et GSI, suivies de caractérisations (Raman, MET, MEB-EBSD, DRX). Le postdoctorat se déroulera au JRC-K, CEA Saclay et CEA Cadarache sous encadrement spécialisé.
Etude thermochimique et thermodynamique des sels fondus chlorures
L’accès à une énergie propre et peu coûteuse semble plus que jamais primordial dans le contexte actuel d’urgence climatique. Plusieurs pistes sont envisagées depuis plusieurs années déjà mais de nombreux verrous technologiques restent à lever pour les concrétiser, tant elles représentent des ruptures technologiques. Que ce soit pour le stockage d’énergie ou les réacteurs nucléaires de 4ème génération, le milieu sel fondu utilisé comme caloporteur et/ou comme combustible est fortement corrosif rendant le choix des matériaux de structure très complexe.
L’objectif du sujet de post-doctorat proposé au sein du Service de Corrosion et du Comportement des Matériaux (S2CM) consiste en une étude approfondie des propriétés chimiques de différents chlorures fondus : le sel ternaire de base (NaCl-MgCl2-CeCl3) mais également celles des potentiels produits de corrosion/ de fission/ d’activation (MxCly avec M=Cr, Fe, Te, Nd, Ni, Mo,…). Les coefficients d’activités et les limites de solubilité de ces éléments métalliques seront déterminés à l’aide de différentes techniques telles que l’électrochimie et la spectrométrie de masse en cellule d’effusion de Knudsen. Cette étude pourra être complétée, en fonction des besoins, par la détermination des températures de transition de phase et des capacités thermiques en utilisant la calorimétrie à balayage différentiel
Adaptation de l'expérience de Delayed Hydride Cracking (DHC) aux matériaux irradiés
L’objectif de cette étude est de « nucléariser » l’« expérience de DHC » développée dans le cadre de la thèse de Pierrick FRANCOIS (2020-2023), permettant de créer dans des conditions de laboratoire le phénomène de DHC sur des gaines de Zircaloy, afin de déterminer la ténacité de ce matériau en cas de DHC : K_(I_DHC ).
Le terme « nucléariser » désigne le processus d’adaptation de l’expérience pour pouvoir tester des matériaux irradiés dans des enceintes dédiées (appelées cellules blindées), où les matériaux sont testés via des bras télémanipulateurs. Les protocoles décrits dans la thèse de Pierrick François devront donc être adaptés, si possible simplifiés, pour pouvoir être transposés en cellules blindées. Cela nécessitera des échanges approfondis avec les personnes en charge des essais, et l’utilisation des outils de simulation numérique développés dans le cadre de cette même thèse. Le développement de cette procédure en cellule blindée sera utilisé par le post-doctorant afin de qualifier le risque de DHC lors de l’entreposage à sec des assemblages combustible en quantifiant la ténacité en DHC après irradiation du gainage.
Optimisation des Phytotechnologies pour la Réhabilitation des Sites Nucléaires Contaminés
Le CEA recrute un(e) post-doctorant(e) pour un projet de recherche visant l’optimisation des phytotechnologies pour la réhabilitation des sites nucléaires contaminés. Cette recherche s’inscrit dans le cadre de la gestion des risques et de la réhabilitation des sols contaminés, en particulier ceux issus du démantèlement des installations nucléaires. Le projet a pour objectif de développer un modèle mécanistique avancé des transferts sol-plante, afin d’approfondir la compréhension de la mobilité des contaminants dans les sols faiblement contaminés et d'optimiser l’usage de plantes adaptées pour stabiliser ces contaminants.
Modélisation du comportement en corrosion des aciers inoxydables en milieu acide nitrique avec la température
La maîtrise du vieillissement des matériaux des équipements (principalement en acier inoxydable) de l'usine de recyclage du combustible nucléaire usé, fait l'objet d'une attention permanente notamment dans le cadre de la pérennisation de son activité (enjeu industriel majeur). Cette maîtrise passe par une meilleure compréhension des phénomènes de corrosion des aciers par l'acide nitrique (agent oxydant mis en jeu lors des étapes de recyclage), et in-fine par leur modélisation.
Les matériaux d’intérêt sont les aciers inoxydables austénitiques Cr-Ni, à très basse teneur en carbone. Une étude récente sur acier inoxydable riche en Si, qui a été développé dans le but d'améliorer la tenue en corrosion de ces aciers vis-à-vis de milieux très oxydants comme ceux rencontrés en certains endroits de l’usine [1, 2] ; a montré que la corrosion de cet acier était thermiquement activée entre 40 °C et 142 °C avec un comportement différent en-dessous et au-dessus de la température d’ébullition (107 °C) de la solution [3]. En effet, entre 40 °C et 107 °C, l’énergie d’activation est de 77 kJ/mol et au-dessus de l’ébullition, elle est beaucoup plus faible et vaut 20 kJ/mol. Cette différence peut être due à une barrière énergétique plus faible ou à une étape cinétiquement limitante différente.
L’enjeu de ce sujet post doctoral est de disposer d’un modèle de corrosion prédictif en fonction de la température (en deçà et au-delà de l’ébullition). Dans cet objectif, il sera important d’analyser et d’identifier les espèces impliquées dans le processus de corrosion (phase liquide et gaz) en fonction de la température mais aussi de caractériser les régimes d’ébullition. Ce modèle pourra expliquer la différence d’énergies d’activation de cet acier riche en Si en-dessous et au-dessus de la température d’ébullition d’une solution d’acide nitrique concentrée mais aussi permettra d’optimiser les procédés de l’usine où la température et/ou le flux thermique ont un rôle important.