Description du sujet de thèse

Fragilisation du titane dans le lithium liquide
Les sources de neutrons compactes pilotées par un accélérateur à haute intensité (CANS) sont une nouvelle alternative aux réacteurs nucléaires critiques pour les analyses de la matière par diffraction neutronique ou la neutronographie. Les applications de ces nouveaux dispositifs vont de la science des matériaux, des nanosciences, des sciences de la vie aux sciences fondamentales (Matériaux quantiques ou topologiques, cosmologie, gravitation quantique, interactions fondamentales). La production de neutrons est basées sur la réaction nucléaire de basse énergie (p/d,n) avec des cibles à noyaux légers comme le béryllium ou le lithium. L'utilisation d'une cible de lithium à l'état liquide en configuration de boucle avec un échangeur de chaleur présente plusieurs avantages majeurs : le lithium permet à la
fois un rendement neutronique important, mais aussi une extraction efficace de la puissance thermique déposée par le faisceau primaire du fait de son utilisation en circulation à l'état liquide (le point de fusion du lithium est de 180°C). Les matériaux de structure de référence de ce type de dispositif sont les aciers mais le projet en cours souhaite développer l'utilisation innovante du titane pour diminuer l'activation radiologiques des structures. Le lithium est un milieu qui peut se révéler très corrosif, il est surtout connu pour favoriser la propagation de fissure dans les aciers, en présence de contraintes résiduelles par exemple, en cas de mouillage par le métal liquide (fragilisation par le métal liquide ou FML), ou en lien avec une corrosion intergranulaire lié aux impuretés du lithium en solution (azote dissous). De ce point de vue, le comportement du titane n'est pas connu pour ce type d'application dans les conditions envisagées. Une des problématiques potentiellement critiques est la propagation de fissures en mode fragile induite par l'adsorption de métal liquide. Les ruptures peuvent être soudaines avec une propagation rapide (de l'ordre du centimètre par seconde) dans le pire des cas, et intervenir dans le domaine de sollicitation élastique du matériau ou conduire à réduire la ductilité du matériau si l'endommagement se produit dans le domaine de déformation plastique. Il est donc nécessaire d'étudier les conditions qui pourraient permettre la propagation de fissures dans cet environnement afin de proposer éventuellement des stratégies pour améliorer la résistance à la FML.
Le sujet de thèse proposé est donc centré sur la question de l'interaction du lithium liquide avec le titane. Le sujet est complètement nouveau et il n'y a pas de données expérimentales publiées dans la littérature. Il est prévu de regarder cette thématique selon les axes suivants :
• Corrosion et mouillabilité du titane par le lithium liquide.
• Influence du lithium sur les propriétés mécaniques du titane (FML).
o Sensibilité à la FML dans des conditions les plus proches possibles des conditions nominales de fonctionnement (taux d'impureté dissous)
o Quantification du degré de FML si elle est avérée (CCT).
• Mesures des contraintes résiduelles dans les parties soudées et effet du métal liquide sur la rupture d'une soudure. Un programme équivalent sera mené sur pièces issues de la fabrication additive.
• Caractérisations avancées par microscopie électronique des modes de rupture du titane en contact avec le lithium et compréhension des divers mécanismes à l'oeuvre : activation thermique et pénétration/diffusion intergranulaire, effet de la métallurgie, interaction avec le vieillissement dynamique et le fluage.
Le sujet de thèse se déroulera entre les laboratoires des deux partenaires en utilisant les moyens d'essais et de caractérisation des deux laboratoires ou de l'extérieur (Microscopie électronique, FIB, Nano-SIMS, etc.). Le projet comporte une partie simulation avec laquelle le candidat sera amené à interagir. Le démarrage peut être envisagé au début de l'année prochaine.
Profil recherché : Le candidat devra avoir une formation initiale (diplôme d'ingénieur et/ou Master 2) en sciences des matériaux (physico/chimie, métallurgie, matériaux métalliques de structure, etc.). Un goût prononcé pour l'expérimentation et la caractérisation en sciences des matériaux serait un plus.

Contexte de travail

Le sujet de thèse s'effectuera sur 2 laboratoires, le PIMM à l'ENSAM Paris et le laboratoire CEA/DEN/DANS/DPC/SCCME du CEA-Saclay

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

Le candidat devra satisfaire à l'enquête de sécurité pour accéder au site CEA et aux zones à accès restreint.