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Doctorant H/F en Chimie Analytique, électrochimie et chimie des matériaux pour l'énergie nucléaire

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Informations générales

Référence : UMR9012-REJBOD-019
Lieu de travail : ORSAY
Date de publication : mardi 15 septembre 2020
Nom du responsable scientifique : Céline CANNES
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 novembre 2020
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Suite au démantèlement des anciens réacteurs nucléaires, des quantités importantes de déchets radioactifs de natures très diverses sont produites. Pour gérer certains déchets métalliques réactifs de faible et moyenne activité, une des stratégies proposées est l'encapsulation dans un ciment. Dans ce cas, le risque majeur est la corrosion des métaux (déchets nucléaires et acier du colis primaire) par l'eau, conduisant à la formation d'hydrogène. Le projet européen PREDIS propose les ciments phosphomagnésiens (MPC) comme alternative aux ciments Portland, habituellement utilisés pour ce type de déchets. Dans ce contexte, le travail de thèse sera consacré à une étude sur les ciments MPC et à la réactivité de l'acier du colis primaire au contact de cette nouvelle matrice de conditionnement.
Actuellement, des études en laboratoire sont menées sur les ciments phosphomagnésiens en utilisant des matières premières de qualité analytique qui proviennent d'un nombre restreint de fournisseurs. Ainsi, leur prix correspond à 50 à 100 fois celui des ciments usuels. Un des objectifs de cette thèse est de diminuer le coût des MPC afin de pouvoir les industrialiser, tout en maintenant les propriétés requises pour répondre au cahier des charges d'un confinement sûr des déchets métalliques radioactifs. Des pâtes et des mortiers seront préparés à partir des matières premières sélectionnées et seront caractérisés par différentes techniques : le comportement au jeune âge (chaleur d'hydratation, temps de prise), les propriétés mécaniques (résistance en compression), les variations volumiques (retrait/gonflement), leur comportement à long terme (durabilité) et la microstructure (porosité, diffusion, formation et stabilité des phases solides). L'évolution au cours du temps des ciments sera également suivie par une analyse électrochimique récemment développée à IJCLab, basée sur des mesures in situ de spectroscopie d'impédance électrochimique. Il est important de vérifier que les propriétés physico-chimiques des MPC ne sont pas modifiées en présence d'impuretés dans les matières premières.
Comme l'acier est un matériau très utilisé pour les colis de stockage, une partie de la thèse concernera la réactivité de cet acier au contact des MPC. Cette étude sera consacrée au ciment MPC avec la formulation correspondant au stockage le plus sûr des déchets Al (un des nombreux déchets FA) et dans le ciment MPC de formulation à bas coût. Des mesures électrochimiques, des dosages de H2 par chromatographie gazeuse et des caractérisations de la surface d'acier seront réalisés pour déterminer les mécanismes de corrosion de l'acier dans les MPC, évaluer la production d'hydrogène et la dégradation du fût selon la formulation du ciment.
'Selection of a mineral binder with potentialities for the stabilization/solidification of aluminum metal', C. Cau Dit Coumes, D. Lambertin, H.
Lahalle, P. Antonucci, C. Cannes, S. Delpech, J. Nucl. Mat. 453 (2014) 31-40.
'Investigation of magnesium phosphate cement hydration and its retardation by boric acid' H. Lahalle, C. Cau Dit Coumes, A. Mesbah, D.
Lambertin, C. Cannes, S. Delpech, A. Nonat, S. Gauffinet, Cem. Concr. Res. 87 (2016) 77-86.
'Kinetic Model of Aluminum Behavior in Cement-Based Matrices Analyzed by Impedance Spectroscopy' S. Delpech, C. Cannes, N. Barré,
Q. Thuan Tran, H. Lahalle, D. Lambertin, S. Gauffinet, C. Cau Dit Coumes, J. Electrochem. Soc. 164 (2017) C717-C727.
'Influence of the w/c ratio on the hydration process of a magnesium phosphate cement and on its retardation by boric acid', H. Lahalle, C.
Cau Dit Coumes, C. Mercier, D. Lambertin, C. Cannes, S. Delpech, S. Gauffinet, Cem. Concr. Res. 109 (2018) 159-174.
'Role of fluoride ions on the uranium oxidation mechanism in highly alkaline solutions', D. Rodrigues, C. Cannes, N. Barre, D. Lambertin, S.
Delpech, Electrochim. Acta 266 (2018) 384-394.
'Reactivity of uranium in geopolymers, confinement matrices proposed to encapsulate Mg-Zr waste' C. Cannes, D. Rodrigues, N. Barré, D.
Lambertin, S. Delpech, J. Nucl. Mater. 518 (2019) 370-379.

Contexte de travail

Présentation du CNRS, de l'école doctorale et de la spécialité de l'école doctorale, du laboratoire, de l'équipe, de l'encadrant, des partenaires (en particulier dans le cadre d'une UMR), des interactions et des collaborations, de l'environnement de travail, des objectifs et moyens disponibles.
Le laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie est un laboratoire de physique sous tutelle du CNRS, de l'université Paris-Saclay et de l'université de Paris, créé en 2020 de la fusion des cinq UMR situées sur le campus universitaire d'Orsay : le Centre de sciences nucléaires et de sciences de la matière (CSNSM), le laboratoire d'Imagerie et modélisation en neurobiologie et cancérologie (IMNC), l'Institut de physique nucléaire d'Orsay (IPNO), le Laboratoire de l'accélérateur linéaire (LAL) et le Laboratoire de physique théorique (LPT). Les thèmes de recherche du laboratoire sont la physique nucléaire, la physique des hautes énergies, les astroparticules et la cosmologie, la physique théorique, les accélérateurs et les détecteurs de particules ainsi que les recherches et développements techniques et applications associées pour l'énergie, la santé et l'environnement. La structure dispose de capacités techniques très importantes (environ 280 ingénieurs et techniciens) dans tous les grands domaines requis pour concevoir, mettre au point et en œuvre les dispositifs expérimentaux nécessaires à son activité scientifique : mécanique, électronique, informatique, instrumentation, techniques d'accélération, techniques de la biologie, radiochimie et physique et chimie pour l'énergie nucléaire. Ces forces techniques représentent un atout de premier plan pour la conception, le développement et l'utilisation des instruments nécessaires (accélérateurs et détecteurs). La présence des infrastructures de recherche et des plateformes technologiques rassemblées sur le site du laboratoire constitue également un atout majeur. Enfin, environ 90 ITA des services administratifs et support travaillent aux côtés des scientifiques et ingénieurs.
Le doctorant sera inscrit à l'école doctorale Particules, Hadrons, Energie, Noyau, Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulation (PHENIICS) de l'Université Paris Saclay. Le périmètre scientifique de cette ED est composé de la physique des particules et de la physique du noyau auxquelles sont naturellement associés la cosmologie et les phénomènes astrophysiques, l'énergie nucléaire, les sciences des matériaux, la physique théorique quand elle est en lien avec l'expérience (phénoménologie, théorie quantique des champs, gravitation, problèmes à N corps, etc.). Un fort volet « instrumentation de pointe » est présent ; il couvre la physique des accélérateurs, la physique des détecteurs, la simulation et le calcul. Les applications techniques et sociétales liées à ces disciplines, comme la radiochimie ou l'imagerie médicale, viennent compléter le périmètre de l'école doctorale PHENIICS qui offre ainsi une formation de pointe variée aux doctorants du campus Paris-Saclay. Le domaine du projet de thèse s'inscrit dans l'axe « Energie nucléaire » puisqu'il concerne la gestion des déchets nucléaires.
Cette thèse sera effectuée dans le cadre du projet européen PREDIS. Elle sera réalisée dans le pôle Energie et Environnement de IJCLab, dans l'équipe CHIMèNE (Chimie, Irradiation, Matériaux, Modélisations, Electrochimie pour le Nucléaire et l'Environnement) en collaboration avec ORANO. Le projet est divisé en deux parties. L'objectif de la première partie est de diminuer le coût d'une nouvelle matrice de conditionnement constituée de ciments phosphomagnésiens. Pour cette partie, le doctorant profitera essentiellement de l'expertise de ORANO et de IJCLab sur les déchets nucléaires et les matrices de conditionnement. Une collaboration sera mise en place avec le CEA Marcoule (Bagnols-sur-Cèze) pour caractériser les ciments préparés selon différentes formulations (chaleur d'hydratation, temps de prise, résistance mécanique…). La deuxième partie de la thèse sera consacrée à la réactivité du fût en acier au contact de ces ciments phosphomagnésiens. Ce travail sera réalisé à IJCLab selon une démarche scientifique développée ces dernières années en menant en parallèle des études dans des solutions de compositions chimiques proches de celles des solutions porales des ciments phosphomagnésiens et des études in situ dans ces ciments. L'équipe de IJCLab travaille depuis 2012 sur le conditionnement des déchets nucléaires dans des matrices cimentaires et a pu mettre en place l'équipement nécessaire pour mener à bien ces études (potentiostats, chromatographie en phase gazeuse, ICP/AES, DRX, microscope confocal). Les codes de simulation nécessaires à l'interprétation des résultats expérimentaux ont également été développés.

Contraintes et risques

Cette thèse s'inscrit dans un projet européen pour lequel un calendrier des tâches a été programmé. Des partenaires se sont engagés à travailler sur les ciments phosphomagnésiens à « bas coût » (effet d'irradiation, de resaturation, corrosion de différents métaux dans ces ciments). Le doctorant devra donc suivre le calendrier du projet européen et notamment être capable de proposer aux autres partenaires une formulation bas coût pour ces ciments en fin de deuxième année.
Le travail de thèse sera principalement réalisé à IJCLab (Orsay) mais une mission de 4 à 6 semaines est prévue en fin de première année au CEA Marcoule. Les frais de mission seront pris en charge par le laboratoire.

Informations complémentaires

Le candidat devra être titulaire d'un diplôme de master recherche en énergie nucléaire, électrochimie, chimie analytique ou chimie des matériaux. Le poste nécessite de solides connaissances de chimie en solution aqueuse ou non-aqueuse, calculs thermodynamiques, électrochimie, chimie des matériaux (techniques de caractérisation de surface).
Le candidat devra aussi avoir de bonnes aptitudes de communication orale et écrite (en français ET en anglais) pour présenter ses résultats au cours des réunions de travail du laboratoire, du projet européen et dans des congrès internationaux ainsi que pour rédiger les livrables attendus du projet européen, des articles dans des revues scientifiques et son manuscrit de thèse. Nous recherchons un jeune chercheur qui saura s'impliquer dans son projet, intéressé par les problématiques de la gestion des déchets nucléaires au niveau européen, ayant une certaine autonomie et une forte motivation pour développer des compétences dans le domaine du conditionnement des déchets en matrices cimentaires. De plus, le candidat devra être apte à travailler en équipe en utilisant les différentes techniques mises à disposition pour mener à bien son projet. Il faudra qu'il s'adapte aux différents environnements de travail et qu'il gère ce projet collaboratif.
Les candidatures devront inclure un CV détaillé ; une lettre de motivation d'une page ; un résumé d'une page du mémoire de master ; les notes de Master 1 et 2).

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