Etude du désaralditage des combustibles nucléaires irradiés

Proposition de sujet de thèse 2015
Etude du désaralditage des combustibles nucléaires irradiés
Résumé :
Cette étude s'inscrit dans le cadre de la mise au point d'un procédé de traitement thermique
d'échantillons de combustibles nucléaires irradiés mélangés à de la résine (araldite). Ces
échantillons ont été produits pour la caractérisation microstructurale des combustibles
irradiés. Aujourd'hui, on souhaite séparer le combustible de la résine avant entreposage pour
limiter la formation de gaz de radiolyse (procédé de "désaralditage"). Un enjeu majeur de ce
traitement est d'atteindre des teneurs finales en hydrogène très faibles tout en conservant
l'intégrité du combustible, c'est-à-dire en évitant une oxydation massive. La thèse porte sur
l'étude des procédés possibles de "désaralditage". Elle comportera à la fois des études
expérimentales et un important volet de modélisation. Les points suivants seront plus
particulièrement examinés : modélisation numérique d'un four de pyrolyse intégrant la
production des gaz, évaluation critique des principales solutions envisageables pour le
traitement du résidu de pyrolyse (approche expérimentale et thermodynamique), analyse de
l'influence du type de combustible sur le traitement (approche expérimentale et
thermodynamique)
Sujet détaillé :
Cette étude s'inscrit dans le cadre de la mise au point d'un procédé de traitement thermique
d'échantillons de combustibles nucléaires irradiés mélangés à de la résine de type Epoxy.
Ces échantillons ont été produits pour la caractérisation microstructurale des combustibles
irradiés. Aujourd'hui, on souhaite séparer le combustible de la résine avant entreposage pour
limiter la formation de gaz de radiolyse. Un traitement thermique a été retenu pour réaliser
cette opération, qui est appelée "désaralditage" des combustibles car la résine utilisée est
majoritairement de l'araldite.
Le procédé de référence à ce jour est une pyrolyse de l'ensemble combustible + résine
suivie d'une oxydation du résidu carboné. Un enjeu majeur de ce traitement est d'atteindre
des teneurs finales en hydrogène très faibles tout en conservant l'intégrité du combustible,
c'est‐à‐dire en évitant une oxydation massive du combustible. Au‐delà de ce procédé de
référence, des procédés alternatifs sont envisageables.
La thèse portera globalement sur l'étude des procédés possibles de "désaralditage", et fait
suite à une première thèse sur le sujet, soutenue en mars 2015 (http://ethesis.inptoulouse.fr/archive/00003009/). Elle comportera à la fois des études expérimentales (menées
au CEA) et un important volet de modélisation (menée au LGC). Les points suivants seront
plus particulièrement examinés :
• Une modélisation numérique d'un four de traitement a été amorcée d'un point de vue
hydrodynamique et thermique. D'autre part, les principaux gaz produits par la pyrolyse ont
été identifiés. Un des objectifs de la thèse est d'introduire la production des gaz de pyrolyse
dans le modèle hydrodynamique et thermique afin de constituer un modèle global permettant
de mieux connaître l'évolution de la composition de l'atmosphère du four au cours du
traitement thermique, en fonction des paramètres opératoires. Ce modèle pourra constituer
une aide au dimensionnement pour un four à l'échelle finale.
• Un des objectifs de la thèse est de faire une évaluation critique des principales solutions
envisageables pour le traitement du résidu de pyrolyse ﴾oxydation sous oxygène ou sous
CO2 notamment﴿. L'évaluation nécessite une étude expérimentale qui pourra mettre en
oeuvre divers outils de type four et thermobalance, ainsi que des équipements de
caractérisation. Cette étude expérimentale sera couplée à une étude plus fondamentale du
procédé ﴾approche thermodynamique et cinétique﴿.
• L'adéquation des procédés avec les différents types de combustibles à traiter sera
examinée. Le combustible majoritaire est de l'UO2 irradié mais d'autres types de
combustibles sont également à traiter, en particulier des combustibles UNGG, contenant de
l'uranium, du magnésium et du carbone. La présence de ces éléments peut entrainer des
contraintes opératoires particulières ﴾par exemple en termes de température﴿.
Profil recherché :
Formation de type Sciences pour l'Ingénieur, de préférence orientée Génie des Procédés
Lieu :
La thèse se déroulera sur deux sites :
- au département Procédés et Systèmes Industriels du Laboratoire de Génie Chimique
(LGC, UMR CNRS 5503), campus INP-ENSIACET (Toulouse)
- au Laboratoire des Combustibles Uranium, Département d'Etudes des Combustibles,
Centre de Cadarache du Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives
(Saint Paul Lez Durance)
Université/Ecole doctorale :
INP Toulouse, ED Mécanique, Energétique, Génie Civil, Procédés (MEGEP)
Direction de la thèse :
Xavier JOULIA
ENSIACET
Laboratoire de Génie Chimique (LGC) – UMR-CNRS 5503
4, allée Emile Monso – BP 44362
31 432 Toulouse Cedex 4
Durée :
CDD de 3 ans
Rémunération :
Environ 2040€ bruts la 1ère et 2ème année (24500€/an), environ 2100€ bruts la 3ème année
(25250€/an)
Personne à contacter :
Laurent Cassayre
[email protected]
Xavier Joulia
[email protected]
Laboratoire de Génie Chimique UMR CNRS 5503
Campus INP-ENSIACET