Etude des mécanismes de formation de l’oxalate de plutonium – Application aux réacteurs à sels fondu
Les réacteurs à sels fondus (RSF) offrent une alternative prometteuse pour la production d’énergie nucléaire durable, grâce à leur sûreté intrinsèque et à leur capacité à fermer le cycle du combustible nucléaire, notamment via l’utilisation d’un spectre neutronique rapide. Ce type de réacteur peut utiliser des sels chlorures liquides contenant du plutonium et d’autres actinides comme combustible. Dans le cadre du développement de cette filière nucléaire, le CEA apporte son soutien au développement d’un procédé de production de PuCl3. La synthèse de ce chlorure a déjà été réalisée à petite échelle au CEA ainsi qu’ailleurs dans le monde. Plusieurs produits de départ peuvent être utilisés pour la synthèse du trichlorure, notamment le plutonium métallique, l’oxyde et l’oxalate de plutonium. La voie de synthèse la plus prometteuse industriellement est la voie oxalate, car elle est transposable aux équipements déjà présents sur le site de La Hague. Ce procédé consiste à transformer l’oxalate en chlorure de plutonium via une réaction gaz/solide avec un agent chlorant, comme le HCl par exemple. Cependant, le mécanisme réactionnel et la décomposition de l’oxalate en milieu chloré sont encore peu connus. Une connaissance approfondie de cette transformation permettrait d’optimiser les conditions opératoires et de faciliter la montée en échelle de cette synthèse. Le sujet se concentrera dans un premier temps sur la détermination du mécanisme de réaction de l’oxalate de Ce (simulant du Pu) en chlorure. Des études à petite échelle seront réalisées pour identifier les différents intermédiaires de la réaction, à l’aide de moyens analytiques tels que la DRX, l’ATG/ATD et l’analyse des gaz produits lors de la réaction. La cinétique ainsi que les variations d’enthalpie seront également étudiées afin d’obtenir des données clés pour la modélisation d’un procédé à grande échelle. Ensuite, une optimisation de la synthèse du PuCl3 à l’échelle de la dizaine de grammes sera réalisée. Ces études seront d’abord conduites en conditions inactives sur simulant, afin de valider l’approche expérimentale, avant d’être transposées en conditions actives.
Effets de la désintégration alpha sur l’altération des verres nucléaires : simulation, compréhension et prise en compte dans les modèles géochimiques
Cette thèse au CEA portant sur l’altération des verres nucléaires se place au cœur des enjeux de la gestion durable des déchets radioactifs. Le doctorant y acquerra une expertise en matériaux et modélisation, ouvrant la voie à des carrières passionnantes en recherche, ingénierie ou industrie nucléaire. En stockage géologique profond, le contact avec l’eau souterraine peut entraîner une altération du verre qui représente la principale source de relâchement des radionucléides. Le CEA développe un modèle multi-échelle qu’il faut adapter pour tenir compte des effets de l’auto-irradiation du verre. L’objectif de la thèse est d’identifier les mécanismes modifiés par l’irradiation et de paramétrer le modèle. Le doctorant réalisera des expériences d’irradiation contrôlées sur des verres non radioactifs, et les comparera à un verre actif dopé en ²44Cm. Les modifications structurales et physico-chimiques induites seront caractérisées par différentes techniques (Raman, IR, RMN, MEB, MET, DSC, etc.). Des tests d’altération ciblés permettront d’observer l’impact du niveau d’endommagement sur la cinétique d’altération. Les résultats serviront à ajuster et valider le modèle prédictif dans des conditions représentatives du stockage géologique. Le travail se déroulera à la fois en environnement actif (caisson blindé) et en laboratoire inactif. Un stage de M2 est proposé sur le même sujet. Profil : M2 ou ingénieur matériaux, physico-chimie.
Optimisation des conditions de synthèse d’uranium métallique par voie électrolytique
L’uranium de retraitement (URT), issu du retraitement du combustible nucléaire usé, représente une matière dont le réemploi en centrale permettrait une gestion durable des ressources énergétiques. Dans cette optique, le CEA apporte son soutien à la filière nucléaire pour évaluer la faisabilité d’un enrichissement de cet URT par voie laser. Cette technologie requiert en entrée de procédé de l’uranium sous forme d’alliage métallique. Par conséquent, un procédé amont de synthèse d’uranium métallique doit être développé et optimisé pour bâtir une filière URT souveraine.
Une des voies à l’étude pour synthétiser l’uranium métallique est d’électrolyser l’oxyde d’uranium, préalablement dissous en milieux sels fondus fluorures à haute température. Mise en œuvre autrefois aux États-Unis à partir du procédé de synthèse de l’aluminium, cette synthèse exige aujourd’hui une réappropriation et une optimisation des conditions expérimentales.
Dans une première phase, le(a) doctorant(e) mènera une étude systématique de l’électrolyte, afin de comprendre l’influence des paramètres clés — composition du sel, plage de température, environnement redox, compatibilité des matériaux et solubilité de l’oxyde — sur le comportement du bain d’électrolyse. Pour chaque paramètre, des essais ciblés seront conduits : caractérisation thermochimique du sel (point de fusion, volatilité, purification, etc.), évaluations de la cinétique et de la limite de solubilité de l’oxyde d’uranium dans le bain (point crucial du procédé), essais électrochimiques destinés à identifier les systèmes redox d’intérêt, ainsi que des études de tenue des matériaux au contact du sel fondu et du métal liquide. L’ensemble de ces investigations permettra de définir les conditions expérimentales optimales à la mise en œuvre contrôlée de la synthèse du métal par électrolyse de l’oxyde.
Dans une deuxième phase, une fois ces conditions établies, le travail portera sur la formation du métal à l’électrode, sa récupération et sa caractérisation. La quantité et la qualité du métal produit à l’issue de l’électrolyse seront les critères majeurs pour valider les paramètres expérimentaux retenus.
L’ensemble des données acquises sera exploité pour la conception d’électrolyseurs à échelles pilote et industrielle, et alimentera les futurs modèles numériques qui seront élaborés. Les résultats obtenus pourront faire l’objet de présentations lors de conférences internationales et de publications.
Ces études seront réalisées à l’échelle laboratoire en actif, avec des phases de travail sur simulant pour appréhender la mise en œuvre du procédé et le changement d’échelle. Le laboratoire d’accueil, qui opère dans ces deux environnements, est spécialisé dans la mise en œuvre de procédés thermiques et d’essais pyrochimiques.
Le(la) candidat(e) sera idéalement issu(e) d’une formation de niveau Master 2 ou école d’ingénieur en physico-chimie.
À l'issue de ce travail de thèse, le(la) doctorant(e) aura acquis une expertise sur les techniques expérimentales liées à la synthèse métallique par électrolyse, de la conception des dispositifs électrochimiques à la caractérisation multi-échelle des matériaux. De plus, son implication dans un projet à caractère souverain axé sur les métaux stratégiques lui ouvrira de nombreuses perspectives d’emploi en recherche académique ou en R&D industrielle, tant dans le secteur nucléaire que dans d’autres domaines de la chimie et des matériaux.
Impact des produits de fission et de la microstructure sur les propriétés thermophysiques du combustible (U,Pu)O2-x REP
En France, le combustible MOX (U,Pu)O2 est mis en œuvre dans certains Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) exploités par EDF. Afin de conserver une production d’énergie à bas carbone, l’emploi généralisé dans un futur proche des combustibles MOX au sein du parc électronucléaire français est incontournable.
Durant leur irradiation en réacteurs, ces combustibles U1-yPuyO2-x voient l’ensemble de leurs propriétés et ainsi que leur microstructure évoluer drastiquement en raison notamment de l’accumulation plusieurs dizaines d’éléments plus légers créés par la fission du plutonium et appelés produits de fission (PF). En raison de la très forte radiotoxicité des combustibles MOx irradiés, des matériaux modèles, dits SIMMOx, ont été développés. Dans le cadre d’une thèse précédente, nous avons développé une voie de synthèse permettant d’obtenir des SIMMOX dopé jusqu’à 12 produits de fission avec microstructure reproduisant bien celle des combustibles MOX REP irradiés.
Afin de garantir la marge à la fusion des combustibles lors de leur irradiation, il est nécessaire de comprendre l’évolution de l’ensemble de leurs propriétés thermophysiques et thermodynamiques pendant l’irradiation. Ce travail de thèse se propose de mesurer ces propriétés dans un combustible MOX représentatif de celui actuellement exploité par EDF. Les propriétés d’intérêts seront notamment : la conductivité thermique, la capacité thermique et la température de fusion. Ces mesures seront effectuées au sein du JRC-Karlshrue (Allemagne) pendant un détachement d’environ 12 mois. Ensuite, les échantillons seront rapatriés au CEA Marcoule afin d’évaluer l’effet de la fusion sur la spéciation des actinides et PF, et sur les propriétés microstructurales du combustible MOX utilisé. En parallèle, la simulation des mesures de propriétés thermiques couplées à des calculs thermodynamiques (méthode CALPHAD) permettra d’identifier les mécanismes et équilibres entrant en jeux lors des mesures haute température.
Modélisation des phénomènes thermo-aérauliques dans la tuyère plasma du procédé ELIPSE
Le procédé ELIPSE (Élimination de LIquides par Plasma Sous Eau) est une technologie innovante dédiée à la minéralisation des effluents organiques. Il repose sur la génération d’un plasma thermique en immersion totale dans une enceinte réacteur remplie d’eau, permettant d’obtenir des températures très élevées et des conditions réactives favorables à la décomposition complète des composés organiques.
Le travail de thèse proposé a pour objectif le développement d’un modèle numérique multi-physique décrivant le comportement du procédé, en particulier dans la tuyère plasma, zone clé où le jet gazeux à haute température issu de la torche interagit avec les liquides injectés.
La démarche reposera sur la modélisation thermo-aéraulique couplée, intégrant la dynamique des écoulements, les transferts thermiques, les changements de phase et la turbulence. L’utilisation d’outils de simulation numérique (CFD) permettra de caractériser les mécanismes d’interaction plasma/liquide et d’optimiser la géométrie et les conditions opératoires du procédé. Cette modélisation sera confrontée et validée par des expérimentations complémentaires, réalisées sur le procédé ELIPSE, afin d’acquérir les données nécessaires à la calibration et à la validation du modèle numérique.
Ces travaux s’inscrivent en complément de recherches antérieures ayant conduit à l’élaboration de modèles du comportement thermique et hydraulique de la torche plasma et de l’enceinte réacteur. L’intégration du modèle développé au sein de cet ensemble permettra d’aboutir à une représentation globale et cohérente du procédé ELIPSE. Une telle approche constitue une étape déterminante en vue de l’optimisation du procédé et de son passage à l’échelle industrielle.
Le profil recherché pour ce projet est celui d’un(e) étudiant(e) en dernière année de master ou d’école d’ingénieur, issu(e) d’une formation en génie des procédés et/ou en simulation numérique, disposant d’un goût prononcé pour la modélisation.
Au cours de cette thèse, le doctorant développera et renforcera ses compétences en modélisation numérique multi-physique, en simulation CFD avancée et en analyse thermo-aéraulique de procédés complexes. Il acquerra également une solide expérience dans le traitement des déchets, thématique en plein essor au niveau industriel et environnemental. Ces compétences offriront de réelles opportunités professionnelles dans les domaines de la recherche appliquée, de l’ingénierie des procédés, de l’énergie et de l’environnement.
Influence de la démontabilité des systèmes batteries sur leurs impacts environnementaux
Avec l'essor de la mobilité électrique et du stockage d'énergie, la demande en batteries explose. Mais cette croissance soulève une question essentielle : comment concevoir des batteries à la fois performantes, durables et plus respectueuses de l'environnement ?
Sans regarder la chimie de la cellule, l'une des pistes prometteuses est la démontabilité : rendre les packs batteries plus faciles à démonter permettrait de faciliter leur réparation, réutilisation ou recyclage. Cependant, un design plus démontable peut aussi augmenter sa masse ou réduire la fiabilité du système, et donc impacter sa durée de vie globale.
Cette thèse propose de relever ce défi en développant une méthode d'analyse capable de relier la conception de batteries démontables à leurs impacts environnementaux réels, tout en intégrant la question de la fiabilité. La ou le doctorant(e) évaluera la démontabilité de différents systèmes batteries, quantifiera les gains et pertes environnementaux associés, et contribuera à la mise au point d'un outil d'aide à la décision pour guider les choix de conception. Le travail proposé fera appel, entre autres, à la modélisation sous logiciel d'Analyse du Cycle de Vie (ACV) couplée à des modèles de performance et de vieillissement de batterie et à des probabilités de défaillance.
Ce travail s'inscrit dans un contexte technologique marqué par la recherche de circularité des ressources, les enjeux d'automatisation du démontage, et les nouvelles réglementations européennes sur les batteries. Il offrira une occasion unique de contribuer à la conception des batteries de demain, plus durables.
Simulation de l’écoulement dans les extracteurs centrifuges : l’impact des solvants visqueux sur le fonctionnement
Dans la cadre du retraitement du combustible nucléaire usé, le CEA a codéveloppé avec ROUSSELET-ROBATEL des appareils d’extraction liquide/liquide (ELL) visant à mettre en contact deux liquides immiscibles parmi lesquels l’un contient les métaux valorisables à récupérer et l’autre une molécule extractante. L’Extracteur Centrifuge multi-étage est l’un des appareils qui permettent de faire de l’ELL à l’usine de la Hague. L’utilisation future de solvants potentiellement plus visqueux que les standards industriels actuels peut poser des problèmes de performance qu’il est important d’étudier au préalable en laboratoire afin d’apporter les préconisations nécessaires au recouvrement des performances attendues par l’usine. L’environnement nucléaire dans lequel sont exploités ces appareils rend l’étude in situ quasi-impossible et prive donc la R&D de précieuses informations pourtant nécessaires à une compréhension approfondie des mécanismes physico-chimiques au cœurs des problématiques en jeu. Pour répondre à cela, l’étude proposée va reposer sur une approche numérique qui aura au préalable été validée par comparaison soit avec des données expérimentales historiques soit avec des acquisitions issues des pilotes ad hoc plus récents. Ainsi à l’issue d’une phase de bibliographie et de capitalisation des mesures récentes, il est proposé dans un premier temps de créer des cas-test qui vont servir à valider le modèle numérique. Sur la base de cette validation et à la lumière des connaissances acquises sur les thèses précédentes concernant l’effet de la viscosité sur les écoulements, il est proposé d’explorer numériquement l’impact d’une élévation de viscosité des solvants sur les extracteurs centrifuges. Cela ouvrira la voie à une meilleure compréhension du fonctionnement des appareils ainsi qu’à des améliorations de nature opératoires ou géométriques. L’étudiant évoluera au CEA Marcoule, dans un environnement de recherche à la croisée entre une équipe d’expérimentateurs et une équipe de simulations numériques. Cette expérience lui permettra d’acquérir d’importantes compétences en modélisation des écoulements liquide-liquide ainsi que de solides connaissances sur le développement de contacteurs liquide-liquide.
Etude de la durabilité d'adsorbants à base de géopolymère utilisés pour la décontamination d'effluents radioactifs
Le retraitement du combustible usé génère des effluents radioactifs nécessitant un traitement adapté. Pour répondre aux enjeux industriels et réglementaires, le CEA développe des matériaux adsorbants à base de géopolymères, robustes, économiques et efficaces pour la capture du Cs-137 et du Sr-90. Leur performance peut être renforcée par l’intégration d’adsorbants sélectifs (zéolithes) et par des procédés innovants de mise en forme (impression 3D, billes, mousses) optimisés pour l’adsorption en colonne.
La durabilité de ces matériaux reste un point critique : leurs mécanismes de lixiviation et de vieillissement en colonne sont encore peu connus. La thèse portera sur l’étude de ces phénomènes, afin de comprendre l’impact de la chimie des effluents sur la stabilité et l’efficacité des géopolymères. Le travail comprendra la synthèse des matériaux, des essais de sorption en batch et en colonne, ainsi que l’utilisation d’outils de modélisation pour interpréter les mécanismes d’altération. Le défi scientifique est d’identifier les marqueurs physicochimiques clés de la dégradation du géopolymère dans les effluents liquides ciblés et de faire le lien avec les capacités de sorption en colonne.
Le/la doctorant(e) rejoindra le Laboratoire des Procédés Supercritiques et Décontamination (LPSD), reconnu pour son expertise en extraction d’ions sur support solide en colonne et en caractérisation d’adsorbants. Il/elle collaborera avec les spécialistes du CEA Marcoule et les équipes du laboratoire, et présentera régulièrement les avancées du projet au partenaire industriel. À l’issue de la thèse, le/la doctorant(e) aura acquis une expertise reconnue à l’interface entre matériaux, chimie et procédé d’adsorption en colonne. Elle ouvrira des débouchés variés : postes en R&D dans les secteurs du nucléaire, de la gestion des déchets et des matériaux fonctionnels ; poursuites académiques (post-doctorat, recherche, enseignement) ou encore contribution aux grands défis de l’énergie et de l’environnement.
Optimisation et contrôle de la température dans les systèmes pile à combustibles
Les piles à combustible à membranes échangeuses de proton (PEMFC) représentent une technologie clé pour le développement de systèmes énergétiques propres et durables, en particulier pour des applications lourdes dans le transport où leur densité énergétique est très intéressante. Néanmoins, afin de représenter une alternative industrielle viable, un certain nombre de verrous doit encore être levé parmi lesquelles les coûts d’exploitation et surtout la durabilité des systèmes en conditions réelles d’usage. Parmi les leviers d’action, l’optimisation des conditions opératoires est une piste prometteuse pour limiter les phénomènes de dégradations ayant lieu au sein de la pile. La température de fonctionnement est en particulier un paramètre clé car elle intervient à toutes les échelles : de la cinétique des mécanismes de dégradation à la capacité thermique que le système peut dissiper, en passant par l’équilibre en eau au sein de la pile. Malgré l’influence de ce paramètre sur la durabilité, celle-ci n’est généralement optimisée à l’échelle système que pour obtenir les meilleures performances, le temps de réponse le plus court possible et limiter la taille du système de gestion thermique.
L’objectif de cette thèse est de travailler à l’optimisation de la gestion de température d’une pile à combustible au sein d’un système en prenant en compte non seulement le critère de performances mais aussi celui de la durabilité. Pour ce faire l’impact de la température de fonctionnement sur les mécanismes de dégradation sera analysée à l’aide des différents outils de simulation déjà présents au sein du LITEN et de la quinzaine d’années d’expérience des équipes sur l’étude de la dégradation des piles à combustible PEMFC. Différentes architectures thermiques seront proposées et évaluées en lien avec les travaux d’optimisation des lois de contrôle de la température. Ces dernières pourront être mise en œuvre sur un système pile à combustible réel dans le but de démontrer la pertinence de la solution proposée par des données expérimentales concrètes.
Méthodes d’analyse innovantes des étapes critiques et des mécanismes limitants pour la formation des batteries
Le secteur de la fabrication des batteries en Europe connait aujourd'hui une forte expansion. La formation électrique, étape qui suit l'assemblage de la batterie jusqu'à sa livraison est peu étudiée dans les milieux universitaires alors qu’elle conditionne les performances des batteries (durée de vie, résistance interne, rebuts…). Pourtant c'est une étape essentielle du procédé qui est à la fois longue et couteuse (>30 % du coût de fabrication des cellules, 25 % du coût des équipements d'une Gigafactory) et qui gagnerait grandement à être optimisé.
Nous proposons d'étudier dans cette thèse la formation des batteries par des techniques complémentaires innovantes operando et non intrusives. L’objectif est d'identifier les mécanismes limitants de l’étape d’imprégnation des porosités des électrodes par l’électrolyte et de l’étape de 1ère charge de la batterie. Le candidat sera chargé de mettre en œuvre des méthodes expérimentales pour le suivi et l’étude de ces mécanismes. Il mettra en place une méthodologie et un protocole d’étude, combinant mesures électrochimiques et caractérisations physiques en fonctionnement et non intrusives. Il étudiera et optimisera le temps de formation et le contrôle qualité durant ses étapes.