Au cours d’un accident grave dans un réacteur nucléaire, le combustible UO2 surchauffé peut interagir avec la gaine en zircaloy (Zr) ainsi qu’avec les matériaux de structure en acier (Fe-Ni-Cr) pour former un mélange complexe appelé « corium ». Dans certaines conditions, ce corium peut se retrouver dans une configuration stratifiée constituée d’une couche de phase liquide métallique surnageant au-dessus d’une couche de phase liquide oxyde. La connaissance des propriétés thermodynamiques et thermophysiques de cette couche liquide métallique est essentielle pour pouvoir modéliser les échanges thermiques et la thermohydraulique de ce bain stratifié et pour mettre en place des actions efficaces de mitigation de l’accident. Or les interactions chimiques entre l’uranium et le système Zr-Fe-Ni-Cr-Fe représentatif des matériaux de structure sont très mal connues.

Dans ce cadre, la thèse proposée a pour but d’acquérir des données thermodynamiques et thermophysiques sur le système U-Zr-Fe-Ni-Cr simulant la phase métallique d’un corium réel. Ces données seront ensuite utilisées pour le développement d’un modèle thermodynamique de ce système par la méthode CALPHAD. Afin de mesurer des données d’entrée pour alimenter ce modèle, différentes techniques expérimentales de pointe seront utilisées :

- Des traitements thermiques suivis d’analyses chimiques permettront de déterminer la composition des phases liquide et solide à l’équilibre ;

- Des expériences sur la ligne de lumière MARS du synchrotron SOLEIL seront réalisées pour déterminer la structure cristalline des phases solides ;

Des techniques de lévitation aérodynamique à Saclay et électromagnétique au DLR (Allemagne) ainsi que l’installation VITI (CEA Cadarache) permettront d’acquérir des données de densité, de tension de surface et de capacité thermique de la phase liquide.

Cette thèse permettra au candidat de travailler au CEA dans un laboratoire de référence internationale pour l’acquisition de données thermodynamiques et la modélisation CALPHAD et lui offrira l’opportunité de collaborer avec le Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (Centre Aérospatial Allemand, Cologne), l’Université de Lille et le CIRIMAT à Toulouse.

A la fin de la thèse, le candidat aura acquis des compétences clés, à la fois théoriques et expérimentales, dans le domaine des « hautes températures » qu’il pourra ensuite utiliser au cours de son parcours professionnel