Mécanismes de radio-oxydation du polyéthylène et rôle des antioxydants : simulations à l'échelle atomique

Radio-oxidation mechanisms of polyethylene and the role of antioxidants : atomic scale simulations

• Auteur / Autrice : Yunho Ahn
• Direction : Guido Roma, Xavier Colin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de recherches de métallurgie physique (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 201X-2023)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Benoit Gervais
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marialore Sulpizi, Véronique Lachet, Pascal Wong-Wah-Chung
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoit Gervais, Marialore Sulpizi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calcul ab initio

Antioxydants

Oxydation

Polymères

Polyéthylène

Théorie de la fonctionnelle de densité

Mots clés libres

Théorie de la fonctionnelle de la densité

Ab initio

Polymères

Radio-oxydation

Polyéthylène

Cinétique

Density functional theory

Ab initio

Polymers

Radio-oxidation

Polyethylene

Kinetics

Résumé

Le polyéthylène (PE) est l'un des polymères les plus abondamment fabriqués pour diverses applications. Parmi ces applications, le PE a été largement utilisé comme isolant de câbles électriques dans les centrales nucléaires (NPP). Cependant, étant donné que les isolants en polymères constituent le maillot le plus vulnérables de la globalité du câble sous des conditions de haute température ou d'irradiation (par exemple, les rayons γ), la compréhension des mécanismes cinétiques de dégradation est essentielle pour assurer une durée de vie la plus longue possible de ce composant en conditions opérationnelles. L'étude menée dans cette thèse, basée sur la théorie fonctionnelle de la densité (DFT), vise à élucider les mécanismes de dégradation du polyéthylène résultant principalement de l'oxydation sous irradiation, ou radio-oxydation, qui joue un rôle crucial dans le déclenchement du vieillissement des câbles. Par ailleurs, les antioxydants sont couramment utilisés comme additifs afin de ralentir le processus de vieillissement. Le rôle des antioxydants et leur mécanisme d'action sont soigneusement étudiés. Les résultats attendus pourraient trouver une application dans divers domaines, de l'isolation des câbles électriques dans les centrales nucléaires aux plastiques utilisés dans la vie quotidienne.

Polyethylene (PE) is one of the most abundantly manufactured polymers for various applications. Among the various them, PE has been widely used as insulation of electrical cables in nuclear power plants (NPPs). However, because cable insulators consisting of polymers are most vulnerable in cable structures under high temperature or irradiation conditions (e.g., γ-rays), understanding the kinetic mechanisms involved in the polymer degradation is essential to ensure their long operation lifetime. This thesis study, based on density functional theory (DFT), aims to elucidate the degradation mechanisms of polyethylene mainly resulting from oxidation under irradiation, the so-called radio-oxidation process, that crucially triggers the aging of cables. Besides, antioxidants are commonly used as additives in order to slow down the aging process. The role of antioxidants and their action mechanism are carefully studied. The insight that is expected might find application in various fields, from electrical cable insulation in nuclear power stations to plastics used in everyday life.