PhysicoChimie des Processus de Combustion et de l'Atmosphère

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Réactivité des Produits de Fission et matériaux de structure

Thèses en cours

  • Etude théorique des agrégats césium-hydrogène
    Présentation:

    The radio frequency (RF) driven negative ion source is an important part of Interna- tional Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) which is currently being build in Southern France in Cadarache. RF ion source produces beam of particles that is used in ITER plasma heating. The important part of this ion source, which produces neg- ative hydrogen ions by stripping electrons from the material with low work function, contains a grid coated with cesium. The negative ions are produced by conversion of hydrogen ions and atoms on the cesiated surface of the plasma grid at temperatures in the range 300-500K. The unwanted process is the Cs evaporation into the source by a Cs oven mounted onto the black plate. The structure and stability of cesium-hydrogen fragments are the factors affecting the performance of the RF source and subsequently the process of plasma heating. Generally, the cesium chemistry and dynamics is very complex in such sources and the interplay of the individual fragments’ contributions and their control to establish optimum cesium coverage and temperature of the grid is still an open issue. This project concerns to theoretical study of the stability of these chemical species and calculating their properties. The goal of the project is to obtain the dissociation energy of the ground state and also some excited states and their electric properties. Electric properties include dipole moments and polarizabilities. In this project we will focus on the following chemical species: CsH, CsH−, CsH+, [H−Cs−H]−, [H−Cs−H]2−, [Cs−H−Cs]−, [H−Cs−H]2− and higher CsxHy clusters. We assume that these particles can possibly occur in the beam which heats the plasma. Information on their structure and stability can help in tuning the Cs oven but is still missing. The long-term goal of this project is the investigation of reaction mechanisms and reaction properties of these chemical species. Using correlation and relativistic methods for the property calculations we will obtain sufficiently accurate data which would be otherwise difficult to obtain from experimental measurements. These data can be subsequently used for developing a device monitoring and/or removing these undesirable particles from the beam.

     

    Doctorant : Jan SKOVIERA

    Financement : thèse co-tutelle France/Slovaquie (Lille 1/Comenius), boursier du gouvernement français + bourse université Comenius de Bratislava

     

    Encadrant: Florent LOUIS (PC2A), (Bratislava)
    Contact:  

  • Modélisation du comportement du ruthénium lors de son transport dans le circuit primaire
    Présentation:

    Le ruthénium, produit issu de fission du combustible nucléaire, est un élément susceptible d’être relâché en grande quantité en cas de situation accidentelle dans une installation nucléaire conduisant à une élévation importante de la température et une dégradation du combustible. Selon le caractère oxydant de l’atmosphère en contact avec le combustible, une part importante du ruthénium contenue dans le cœur combustible va être relâchée. Plusieurs situations accidentelles typiques comme les accidents en réacteur impliquant une entrée d’air dans le circuit primaire, les accidents de manutention de combustible ou les accidents de dénoyage des piscines d’entreposage du combustible usagé peuvent conduire à ces conditions favorables à un relâchement significatif de ruthénium. Il est ainsi fondamental d’être capable de prédire dans ce type de situation le comportement du ruthénium depuis le combustible jusqu’à l’environnement car outre son caractère chimio toxique le ruthénium va contribuer, à travers ses isotopes 103Ru et 106Ru, à une part importante de la dose efficace à court et moyen termes. Cette prédiction représente un objectif difficile car la chimie du ruthénium est complexe notamment lors de son transport dans le circuit primaire comme l’ont montré récemment les essais expérimentaux réalisés dans le cadre du réseau d’excellence européen SARNET (Severe Accident Research NETwork). Ces essais ont montré que le tétroxide de ruthénium persiste à l’état gazeux dans les températures basses du circuit primaire (150°C). L’IRSN s’est investi sur la détermination du comportement du ruthénium dans l’enceinte de confinement à travers la thèse de C. Mun (thèse U. Paris XI 2007). Depuis l’IRSN a réalisé un état de l’art et une étude d’opportunité de la R&D qu’il conviendrait de mener pour atteindre des évaluations prédictives des éventuels rejets en ruthénium (NT IRSN SEMIC-2010-091, 2010). Cette étude a permis de conclure qu’au-delà des actions actuellement en cours sur les mécanismes de relâchement en conditions mixtes oxygène et vapeur d’eau, les efforts devaient être portés sur le comportement du ruthénium lors de son transport dans le circuit primaire. En effet ce comportement porte la part essentielle des incertitudes sur le terme source en ruthénium et les essais disponibles ne permettent pas de développer une modélisation fiable, applicable aux situations accidentelles réelles. L’IRSN a donc proposé une stratégie intégrant une partie expérimentale, les essais START du programme OCDE-STEM qui ont démarré à l’IRSN, et une partie d’interprétation et de modélisation théorique à laquelle cette thèse contribuera. L’objectif final est d’obtenir une modélisation validée qui soit intégrée dans le code de simulation des accidents graves de l’IRSN ASTEC.
    Le travail de thèse proposé concerne donc le développement d’un modèle de transport de chimie du ruthénium dans les conditions du circuit primaire d’un réacteur en conditions oxydantes et dans la gamme de température 2000-150°C. La partie prépondérante de la thèse sera consacrée à l’obtention des propriétés thermocinétiques complexes à déterminer expérimentalement. Le travail se décomposera en plusieurs étapes :

    1. 1. Détermination par chimie computationnelle des propriétés thermochimiques des oxydes et hydroxydes de ruthénium gazeux (les données disponibles dans la littérature étant rares et sujettes à caution)
    2. 2. Détermination des constantes de vitesse relatives aux réactions des principaux oxydes de ruthénium RuOX (x = 2, 3, 4).
    3. 3. Intégration de ce schéma réactionnel dans ASTEC/SOPHAEROS
    4. 4. Dans une démarche mixte expérimentale et théorique, interprétation et simulation des essais expérimentaux START réalisés dans le cadre du programme OCDE/STEM.
    5. 5. Etude des interactions entre le RuO2 et un substrat représentatif de celui du circuit primaire.


    Programme de recherche en lien avec le sujet :
    Laboratoire de recherche commun IRSN/CNRS/Lille1 C3R

    Mots clés :
    Chimie quantique - sûreté nucléaire - produits de fission – paramètres thermocinétiques

    doctorante : Faoula MIRADJI

    Financement : IRSN (100%)
     

    Encadrant: Florent LOUIS (PC2A, Valérie VALLET (PhLAM), Laurent CANTREL (IRSN)
    Contact: Florent Louis, Tel : 03.20.33.63.32
    Valérie Vallet, Tel : 03.20.33.59.85
    Laurent Cantrel, Tel : 04.42.19.94.50

Post-docs en cours

  • Modélisation de la réactivité des oxydes d’iode
    Présentation:

    Contexte

    Lors d’un accident dans une installation nucléaire impliquant une perte du confinement, les radionucléides issus de la fission du combustible sont susceptibles d’être relâchés à l’environnement d’autant plus qu’ils peuvent former des espèces volatiles. A ce titre, l’iode est un produit de fission particulièrement important car il contribue fortement aux conséquences radiologiques à court terme, de l’ordre de quelques semaines.

    L’iode peut être présent dans l’enceinte de confinement sous forme soit gazeuse (I2 et CH3I) soit particulaire (aérosol d’iode métallique type CsI (iodure de césium) ou oxydes d’iode).

    Les réacteurs nucléaires Français disposent de dispositifs de filtration en cas d’accident et notamment l’enceinte de confinement est pourvue d’un système d’éventage-filtration constitué par un filtre à sable.

    Dans le cadre de l’appel à projets "Recherche en matière de sûreté nucléaire et de radioprotection" (RSNR), le projet MiRE (Mitigation des Rejets à l'Environnement) a été sélectionné[i]. Ce post-doctorat s’inscrit dans le projet MiRE. Ce projet d’une durée de 6 ans (2013-2019) regroupe l’IRSN, AREVA,  EDF et des laboratoires académiques dont le PC2A.

    Sujet

    Le travail de post-doctorat consiste à étudier le cycle réactionnel des oxydes d’iode et/ou nitroxydes d’iode en conditions d’accident grave et atmosphérique. Les deux principaux oxydes d’iode sont I2O5 et HIO3, pour les nitroxydes INO3.

    Le travail se décomposera principalement en deux parties :

    • La première année consistera à compléter les données nécessaires à la modélisation qui sont notamment :

    les propriétés thermochimiques de ces espèces en phase gazeuse (DHf°, S° et Cp);
    les constantes de la loi d'Henry ;
    les phénomènes d’hydratation de ces composés ;
    d’éventuels cinétiques de réactions impliquant ces composés.

    Au préalable une revue bibliographique fera un état précis des connaissances disponibles afin d’identifier les données manquantes ou trop incertaines. Les outils mis en œuvre pour calculer ces grandeurs feront appel à des logiciels de chimie théorique (Gaussian, Molpro, Turbomole, Cosmotherm, CPMD, etc.).

     

    • La seconde année consistera à faire une analyse critique des modèles réactionnels de la littérature. Après avoir retenu un mécanisme réactionnel avec une mise à jour des données, les résultats expérimentaux, portant sur le comportement des oxydes d’iode, obtenus au laboratoire du LCE-IRA à Marseille, seront simulés.

    Collaborations

    Le post-doctorat aura comme interlocuteur deux laboratoires :

    le LETR, situé sur le centre nucléaire de Cadarache, qui regroupe des compétences en réactivité des produits de fission. Ce laboratoire fait partie de l’IRSN (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire) expert public des risques, l'IRSN concourt aux politiques publiques en matière de sûreté nucléaire et de protection de la santé et de l'environnement au regard des rayonnements ionisants.

     

    le PC2A et à l'Université Lille 1. Les travaux du groupe « Cinétique Chimique Combustion Réactivité: Sûreté Nucléaire » se placent dans le domaine de l’amélioration des connaissances afin de mieux estimer les rejets potentiels de radio-contaminants en cas d’accident nucléaire et la possible réactivité chimique de ces rejets dans l’atmosphère.


    Post Doc : Sarah KHANNICHE

    Contact: Florent Louis, tél : 03.20.33.63.32
    - Laurent Cantrel, tél : 04.42.19.94.50

  • Reactivity of iodine and ruthenium in case of severe nuclear accident
    Présentation:

    Frame

    During a severe accident, which happens to a nuclear facility, the radionuclides coming from the fuel fission can be released outside. Iodine and ruthenium are of particular importance because they are high contributor to radiological consequences. Within the framework of the call for projects titled “RSNR”, regarding nuclear safety and radioprotection improvements, the MIRE (MItigation Releases to the Environment) project was selected([i]). This post-doctorate is part of the MIRE project of 6 years duration (2013-2019). One objective of the MIRE project is to better understand iodine and ruthenium behaviors in severe accident conditions. Iodine is present in the nuclear containment building either under aerosol or gaseous form. Iodine oxides are formed by oxidation of molecular iodine and organic iodides. Chemical speciation of the iodine oxides remains to determine in severe accident conditions.

    Concerning ruthenium, after being released from melt fuel, ruthenium is mainly deposited under RuO2 form with possible revaporisation under RuO3 or RuO4.

    Subject

    The works consist in:

    From existing thermodynamic data in the literature relative to the IxOyNz (iodine oxides and nytrosiles) species, a compilation and a critical review of these data have to be performed;
    To carry out some chemical equilibrium computations to determine the main stable species and their phases in representative conditions of a severe accident;
    To make a sensibility analysis to check if the associated uncertainties may impact the equilibrium results and need or not to be refined;
    If impact of uncertainties is important, some theoretical computations will be performed to determine/check the thermodynamic data;
    To do some kinetic simulations (out of equilibrium) with the existing data. 

    During the second year, a kinetic study of the reaction involving RuO2 deposits and carbon dioxide: RuO2(cond) + CO2 → RuO3(g) + CO2, will be performed.

    This study will be conducted with theoretical chemistry tool in order to calculate the rate constants. Some extrapolations will be made to estimate the potential impact of this reaction to outside releases in case of accident.

    Collaborations

    The post-doctorate will have relationships with two laboratories:

    The LETR (http://www.irsn.fr/FR/Larecherche/Organisation/equipes/surete-nucleaire/LETR/), located in the nuclear centre of Cadarache.. This laboratory is a part of IRSN (Institute of Radioprotection and Nuclear safety) French public expert of the nuclear risks.
    The PC2A (http://pc2a.univ-lille1.fr/) is a research unit associated to CNRS (UMR 8522) and depending on Lille 1 University.

     

    [i] (http://investissement-avenir.gouvernement.fr/sites/default/files/user/20130517%20CP%20RSNR.pdf)

    Post-doc : Arnaud VILLARD

    Encadrant: Florent LOUIS (PC2A), Laurent CANTREL (IRSN)
    Contact: Florent Louis (florent.louis@univ-lille1.fr), tel : +33 (0)3.20.33.63.32
    Laurent Cantrel (laurent.cantrel@irsn.fr), tel : +33 (0)4.42.19.94.50

Masters en cours