Description

En cas d’accident grave survenant dans un réacteur à eau pressurisée (REP), les différents matériaux (combustible, gaine et cuve) vont réagir entre eux pour former un mélange oxyde-métal appelé corium. L’existence d’une lacune de miscibilité dans le mélange liquide à haute température va donner lieu à une stratification de ce dernier en couches dont l’épaisseur dépend de la composition chimique du mélange. Une question importante est de pouvoir calculer le flux thermique imposé par le corium à la cuve afin de déterminer les conditions de rupture éventuelle de celle-ci et les conditions initiales de l’interaction entre le corium et le béton, ultime barrière de confinement. La rétention du corium à l'intérieur de la cuve par le biais d'un refroidissement externe de la cuve du réacteur est aujourd’hui adoptée dans certains réacteurs de Génération III et également dans les concepts de type SMR (Small Modular Reactor). Ce dispositif constitue une stratégie de confinement du corium en cas d'accident grave. Il est donc primordial, afin de prévoir le comportement thermique du corium, d’en connaitre ses propriétés thermodynamiques.
L’objectif de cette thèse est d’améliorer la description thermodynamique du système « corium en cuve ». Il s’agit pour cela d’acquérir des données expérimentales dans le système Fe-O-U-Zr, choisi en première approximation, afin d’alimenter la modélisation thermodynamique par méthode CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams). Les relations de phases et les propriétés thermodynamiques des phases intermédiaires seront étudiées à différentes températures. Pour cela des échantillons de compositions choisies seront élaborés à des températures d’intérêt. Les structures cristallines et compositions chimiques des différentes phases à l’équilibre seront déterminées par différentes techniques de caractérisations couplées (microsonde électronique, DRX, MEB-EDS-EBSD). Les propriétés thermodynamiques telles que la capacité calorifique et l’enthalpie de formation de composés définis seront mesurées par analyse thermique différentielle et par calorimétrie isotherme de dissolution, respectivement. La lacune de miscibilité à l’état liquide sera étudiée par des méthodes de chauffage à haute température (four Joule et chauffage laser) pour déterminer les compositions des phases liquides à l’équilibre. Les résultats expérimentaux seront ensuite pris en compte pour l’amélioration des modèles sur le système Fe-O-U-Zr dans la base de données TAF-ID (Thermodynamic Advanced Fuels – International Database) développée à l’AEN/OCDE [1].

Compétences requises

Le candidat devra être titulaire d’un Master 2 ou d’un diplôme d’ingénieur dans les domaines des sciences des matériaux, de la physique, de la chimie ou de disciplines connexes. De solides connaissances en thermodynamique, techniques d’élaboration et de caractérisation structurale seront appréciées. Le candidat devra avoir un goût prononcé pour le travail expérimental, des capacités de travail en équipe et devra faire preuve d’esprit d’initiative. Des séjours seront prévus au CEA Saclay pour effectuer les essais à haute température.

Bibliographie

[1] C. Guéneau et al, TAF-ID : An international thermodynamic database for nuclear fuels applications, Calphad, 72 (2021) 102212

Mots clés

accidents graves, corium, thermodynamique, CALPHAD