Endommagement de matériaux en présence d’environnements chlorés à haute température : sels fondus de chlorure, HCl/H2.

Contexte :

La production d’électricité représente environ 40% des émissions de CO2 dans le monde et 35% à l’échelle européenne. Quel que soit le scénario envisagé à échéance de 2050, la demande en électricité devrait croitre significativement du fait notamment d’un développement de l’électrification dans les secteurs des transports et de l’industrie. Dans le cadre de la transition énergétique, les centrales à charbon très émettrices de gaz à effet de serre pourraient être remplacées par des réacteurs nucléaires modulaires (SMR Small Modular Reactors ou AMR Advanced Modular Reactors). Ces derniers peuvent également être envisagés comme source de chaleur servant ainsi à des applications non électrogènes comme le chauffage urbain, le dessalement de l’eau de mer, la production d’hydrogène, la décarbonation des procédés industriels etc…

Le gouvernement français a fait du développement des SMR une des dix priorités de son plan d’investissement à 2030. De puissance comprise entre 25 et 500 MW, leur design très intégré et standardisé permet une production en série et une installation en grappe, qui baissent les coûts de construction et d’exploitation. Un des types de SMR est le réacteur nucléaire à sels fondus (RSF) qui est un système innovant très prometteur. Dans ce concept RSF, la matière fissile se présente sous forme d’halogénure (généralement chlorure ou fluorure) dissous dans un mélange de sels fondus (450 à 700°C) qui joue à la fois le rôle de solvant, de fluide caloporteur et de barrière de confinement. Un des enjeux du développement de ce type de réacteur est la synthèse à l’échelle 1 de sels de qualité satisfaisante.

Ainsi, le programme scientifique de la Chaire Industrielle NIOUSALT (Etudes et compréhension pour la qualification d’un procédé industriel de synthèse de PuCl3), vise à paramétrer la synthèse à l’échelle 1 d’un combustible modèle par une voie industrielle compatible avec les procédés de recyclage des combustibles nucléaires usés. Un des principaux objectifs sera d’apporter les conditions optimales de synthèse qui permettront, à échéance de 2030, de développer une installation pilote de production de sels visant à produire les quantités de PuCl3 nécessaires au fonctionnement des démonstrateurs de RSF à sels fondus chlorures.
La synthèse des sels étudiée dans le cadre de NIOUSALT est basée sur la chloration. Cependant un verrou technologique est à lever concernant la tenue des matériaux de structure en contact non seulement avec du HCl gazeux mais aussi des sels chlorures fondus et des éventuels gaz issus des réactions au sein de ces sels.

Objectif du stage :

L’objet du stage sera d‘étudier le comportement de matériaux métalliques en milieux sels chlorures fondus et/ou en milieu HCl/H2. Les conditions de formation d’une couche d’oxyde protectrice, la composition de l’alliage, ainsi que sa microstructure et le vieillissement thermique seront des paramètres particulièrement pris en compte dans l’analyse des résultats. La possible modification de l’environnement suite à la dégradation du matériau sera aussi étudiée.

C’est pourquoi une analyse fine des échantillons avant essais en environnement sera menée. Les essais en environnement agressif (sels fondus de chlorure et/ou HCl/H2) seront mis en œuvre afin d’étudier les mécanismes et cinétiques d’endommagement des matériaux.

Le travail prévu est le suivant :

– Etude bibliographique
– Essais en environnement agressif chlorés à chaud
– Etude des microstructures et des endommagements (DRX, MEB, MEB-EDX)
– Analyse thermodynamique et thermochimique.
– Synthèse des résultats.

Public concerné.

Ce stage s’adresse à un (une) étudiant(e) (préparant un niveau M2) ayant goût pour l’expérimentation, notamment en sciences des matériaux, et en observation des matériaux (microstructure, endommagement) en microscopie (MEB-EDS, optique) et DRX. Des aspects de modélisation thermodynamique seront également abordés. Des connaissances en sciences des matériaux, en métallurgie, en corrosion et en thermodynamique sont souhaitées.

Lieu et période

Le stage aura lieu au sein de l’UMET à l’université de Lille – Cité scientifique. Il se fera en étroite collaboration avec l’UCCS, situé sur le même site.
Le stagiaire sera amené à travailler dans le cadre de la chaire industrielle NIOUSALT et donc avec ses différents acteurs, les laboratoires UMET et UCCS mais aussi l’entreprise partenaire du projet, ORANO.
La période d’accueil est entre mars (ou mi-février) et septembre 2024 pour une période de 5 à 6 mois.