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.

Lors du recyclage des combustibles nucléaires, les assemblages irradiés sont cisaillés en tronçons appelés coques. La matière nucléaire contenue dans les tronçons est dissoute en milieu acide et les éléments de structures et de gainage sont rincés puis compactés et conditionnés en colis CSD-C (Conteneur Standard de Déchets Compactés) relevant actuellement d’un stockage MA-VL dans CIGEO.
Le projet REGAIN (REcyclage des GAInes Nucléaires) est un projet soutenu dans le cadre du volet nucléaire de France Relance, dans la catégorie des « Solutions innovantes pour la gestion des matières et déchets radioactifs et la recherche d’alternatives au stockage géologique profond » . Il propose l’étude d’une solution alternative à la filière découlant du compactage des coques, dans le but d’optimiser la gestion des matériaux d’assemblage et de gainage irradiés. Cette solution repose sur une approche innovante et en rupture consistant à réduire le terme source radiologique des coques grâce à une succession d’opérations de décontamination dans l’objectif de limiter le volume de déchets ultimes : Une première étape de décontamination en actinides (An) et produits de fissions (PF) et une seconde étape de séparation du zirconium des produits d’activation de structure (PAS).
Afin d’alimenter les études sur le procédé industriel, une partie du projet REGAIN est dédié à la collecte et à l’établissement des données de base structurant les études du projet, à la fois sur des dimensions scientifiques, techniques et économiques.
Dans ce cadre, le CEA propose un post-doc avec l’objectif de développer une base de données thermodynamiques pour le système ternaire Nb-O-Zr à partir des données de la littérature et des données expérimentales collectées au sein du projet. Il sera possible au cours du projet de considérer la contribution d’une sélection de produits de fission. Le candidat pourra être amené à réaliser des expérimentations supplémentaires afin de compléter le jeu de données

Les déchets nucléaires de structure sont compactés dans des galettes, empilées dans un conteneur en acier inoxydable. Dans ces galettes de compactage sont placés différents matériaux de type métallique additionnés de matière organique, dont des déchets chlorés. Par dégradation radiolytique, ces derniers peuvent conduire à la formation de chlorure d’hydrogène HCl. Durant la phase d’entreposage, une humidité relative peut être présente au sein du conteneur, qui, additionnée au HCl, peut conduire à un phénomène de condensation, avec pour conséquence l’apparition, à la surface des matériaux, de condensats acides et concentrés en ions chlorures. Au contact de cet électrolyte acide et chloruré, un phénomène de piqûration est susceptible de s’amorcer à la surface d’un acier inoxydable. Il s’agit d’un phénomène local pouvant conduire au percement du matériau dans les cas extrêmes. L’amorçage de ce phénomène dépend de plusieurs facteurs : la morphologie de l’électrolyte, sa composition et son évolution dans le temps.
Si de nos jours ce phénomène est bien connu, le modéliser reste un défi majeur car il s’agit d’un problème multi physiques et multi paramètres couplés. De nombreuses questions restent ouvertes notamment au niveau des lois physiques et chimiques à utiliser ou comment représenter le processus de corrosion ?
L’objectif du post-doctorat est de développer un outil sous COMSOL capable de simuler l’amorçage et l’évolution dans le temps d’une piqûre à la surface d’un acier inoxydable. La démarche s’appuiera sur une modélisation mécaniste des processus (processus de transport de matière et ensemble des réactions chimiques et électrochimiques).
Le post doctorat se déroulera en plusieurs actions :
1-faire un état de l’art de la bibliographie afin de comprendre le phénomène de piqûration et d’identifier les lois nécessaires à la modélisation.
2-simuler la propagation de la piqûre pour établir un critère de propagation.
3-simuler l’amorçage du processus.

Les alliages base nickel sont les candidats naturels pour les matériaux métalliques résistants à la corrosion mais leur comportement mécanique et leur résistance à l’irradiation risquent de ne pas être satisfaisants. Pour contourner cette difficulté, le CEA avec ses partenaires du projet ISAC développe des solutions génériques de composants bimétalliques qui permettent de fonctionnaliser la surface d’un matériau de référence connu pour son bon comportement sous irradiation par un dépôt épais d’une nuance base nickel.
Deux matériaux de référence ont été retenu pour cette étude, l’acier austénitique 316L(N) et l’acier martensitique à transformation de phase Fe-9Cr T91. Le comportement de ces deux nuances sous irradiation est bien connu et maitrisé. Le procédé utilisé pour les dépôts est le soudage TIG épais qui est proche des méthodes de fabrication additive. Il a l’avantage d’être générique et simple à mettre en œuvre sur des pièces très différentes (viroles, plaques, intérieur de tubes…). L’objet de ce post doc est d’évaluer la pertinence de ce concept bimétallique pour les MSR.