Le combustible nucléaire MOX (Mixed OXide), céramique obtenue à partir d’un mélange d’oxydes d’uranium et de plutonium, constitue une alternative stratégique pour la valorisation du plutonium provenant du retraitement des combustibles usés. Les pastilles de MOX sont fabriquées industriellement par un procédé de métallurgie des poudres couplé à une densification du matériau avec un frittage à haute température. Les rebuts de production sont réintroduit dans le procédé sous forme de poudre chamottée. Cependant, l’influence de la teneur et de la nature de cette chamotte sur la stabilité microstructurale du matériau reste encore mal connue, notamment lors des étapes de pressage et de frittage. Ceci constitue un élément clé à la fois sur la tenue mécanique et le comportement en réacteur des combustibles MOX. Une meilleure compréhension de ces phénomènes, associée à une modélisation fine, permettrait d’optimiser les procédés industriels et d’améliorer à terme la fiabilité de ces combustibles.
L’objectif de ce projet de thèse est d’étudier et de modéliser l’évolution des propriétés microstructurales du combustible MOX en fonction de la teneur et de la nature de la chamotte ajoutée lors de la fabrication. La stratégie de la thèse s’appuiera sur une approche intégrée combinant une étude expérimentale à des simulations numériques. Elle repose sur une caractérisation multi-échelle de la microstructure couplant des techniques d’imagerie et de spectroscopie et sur une reconstruction tridimensionnelle de la microstructure à partir d’images 2D expérimentales. L’objectif étant à terme de relier les propriétés élastiques du matériau à sa microstructure. Ces travaux s’appuieront sur une approche couplant expérience et modélisation, qui conjuguera l’expertise de l'équipe encadrante dans la mise en œuvre d’expérimentations sur matériaux plutonifères et dans la modélisation numériques (modélisation micromécanique, calcul FFT).
A l’issue de cette thèse, le(la) candidat(e), de formation initiale en physico-chimie des matériaux, maitrisera un large panel de techniques expérimentales ainsi que des méthodes pointues de modélisation numérique sur matériaux céramiques. Cette double compétence lui ouvrira de nombreuses perspectives d’emploi en recherche académique ou en R&D industrielle, au sein comme hors du secteur nucléaire.

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.

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.