Description

Les réacteurs nucléaires à sels fondus sont un des concepts de Génération IV. Sa particularité est d’utiliser un combustible liquide. Il fonctionne avec un cycle U/Th ou U/Pu avec un sel combustible à base de fluorures ou de chlorures. Mais les calculs neutroniques montrent que le sel chlorure est le seul adapté pour le cycle U/Pu, cycle nucléaire historique français. La résistance à la corrosion des matériaux de structure est un des points clés pour la conception du réacteur. Ces matériaux (essentiellement constitués de Fe, Cr et Ni) ne peuvent être passivés par une couche d’oxyde. Le seul moyen de prévenir leur corrosion est de fixer le potentiel du sel dans le domaine d’immunité de ces éléments. L’efficacité de TiCl2 et de SmCl3/SmCl2 a été montrée pour fixer le potentiel à une valeur suffisamment basse pour limiter la corrosion de Ni, Fe et Cr. Une méthode a été aussi développée pour détecter la présence d’impuretés oxydantes et pour contrôler la composition du sel pour limiter la corrosion des matériaux. Une seconde problématique à considérer est l’irradiation. On observe notamment une augmentation du caractère oxydant lors du fonctionnement du réacteur. De plus, l’irradiation du sel peut générer des espèces réactives susceptibles de modifier sa chimie. Concernant les matériaux, les neutrons rapides issus de la fission créent des lacunes qui affectent leurs propriétés. Récemment, des études ont été réalisées sur la synergie irradiation - corrosion dans des sels fondus fluorures et dans des sels chlorures. Cependant, les mécanismes de corrosion sont encore mal compris.
Le projet de cette thèse est d’étudier si l’interaction matériau-sel est affectée par l’irradiation du sel, du matériau ou par l’effet synergique des deux, selon trois axes :
(1) Effet de l’irradiation sur la chimie du sel fondu
Cette étude sera réalisée dans des sels de chloroacidité différente, LiCl-KCl, MgCl2-KCl et ZnCl2-KCl. L’objectif est d’étudier le sel avant et après irradiation pour identifier si l’irradiation modifie ou non le caractère oxydant du sel en fonction de sa chloroacidité, oxoacidité et de la température. Les analyses seront réalisées par électrochimie, ICP-AES et DRX. Une cellule intégrant un montage électrochimique sera conçue pour analyser in situ l’évolution de la chimie du sel sous irradiation.
(2) Effet de l’irradiation sur un matériau de structure
Deux matériaux seront étudiés l’acier 316 L et l’inconel 625. Les matériaux seront caractérisés au MEB/EDX avant et après irradiation pour déterminer l’effet de l’irradiation sur le matériau.
(3) Effet de synergie de l’irradiation d’un matériau dans un sel fondu
Pour les mesures sous irradiation, la fenêtre traversée par le faisceau d’irradiation et en contact du sel fondu sera en acier 316L ou Inconel 625. Le composé SmCl2 sera solubilisé dans les 3 sels d’intérêt pour suivre in-situ son évolution sous irradiation en présence d’un matériau susceptible de subir des dégâts d’irradiation. Le sel sera également analysé après irradiation par électrochimie et ICP/AES pour détecter les produits de corrosion dissous et par DRX pour identifier les produits de corrosion solides. Les matériaux seront caractérisés au MEB/EDX avant et après irradiation pour déterminer l’effet de l’irradiation sur le matériau en milieu sels fondus.
Les irradiations seront réalisées à IJCLab et à l’Université du Wisconsin (protons, ions hélium ou ions lourds de plus grande énergie).

Compétences requises

Etudiant en master 2 ayant des connaissance en chimie analytique, électrochimie et chimie des matériaux. Connaissances dans le domaine des sels fondus.

Bibliographie

Delpech S., Carrière C., Chmakoff A., Martinelli L., Rodrigues D., Cannes C., “Corrosion Mitigation in Molten Salt Environments”, Materials, 17 (2024) 581

Carrière C., Cannes C., Rodrigues D., Delpech S., “Salt potential control by titanium chloride to mitigate the corrosion in molten chloride salts”, Electrochimica Acta, 518 (2025) 145805

Evered C., Falconer C., Liu J., Tonks M.R., Kumar Sridharan K., Couet A., “Synergistic effects of irradiation and molten salt corrosion influenced by grain boundary types and crystallographic orientation”, Corrosion Science 258 (2026) 113385.

Wang Y., Olson A.P., Falconer C., Kelleher B., Mitchell I., Zhang H., Sridharan K., Engle J.W., Couet A., “Radionuclide tracing based in situ corrosion and mass transport monitoring of 316L stainless steel in a molten salt closed loop”, Nature Communications (2024) 15:3106.

Mots clés

Irradiation, Corrosion, sels fondus, acier, inconel