Développement et application des spectroscopies des rayons X avancées pour l'étude des propriétés des oxydes mixtes (U,Pu)O2-x

Application and development of advanced X-ray spectroscopies for studying actinide's physico-chemistry in mixed oxides (U,Pu)O2-x

• Auteur / Autrice : Simon Orlat
• Direction : Philippe Moisy, Filip Tuomisto
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 25/10/2021
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....) en cotutelle avec Université d'Helsinki
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Chimiques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICSM - Institut de Chimie Séparative de Marcoule

Mots clés

Mots clés libres

Combustible (U;Pu)O2

Xas

Dispositif XAS de laboratoire

(U;Pu)O2 fuel

Xas

Labaratory XAS device

Résumé

Au cours des dernières décennies, la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) s'est imposée comme une approche incontournable pour l'étude des matériaux. Cette technique de caractérisation non destructive est notamment utilisée dans les programmes de recherche sur les combustibles nucléaires menées au CEA en lien avec le développement de nouveaux procédés de fabrication, leur comportement en réacteur ou leur stabilité en conditions de stockage. Longtemps confinée aux synchrotrons, la spectroscopie d'absorption des rayons X est désormais réalisable en laboratoire grâce aux récents développements technologiques. Un dispositif dédié à la caractérisation d'échantillon radioactifs tels que l'oxyde mixte (U,Pu)O2 est en cours d'implantation au CEA Marcoule dans le cadre d'une collaboration entre le laboratoire d'analyses chimiques et de caractérisation des matériaux (LMAT) du CEA Marcoule et l'Helsinki Institute of Physics (HIP) de l'Université d'Helsinki (Finlande). Ce nouveau dispositif localisé au sein de l'installation nucléaire ATALANTE, ouvre enfin de nouvelles perspectives immenses pour l'études des oxydes mixtes d'actinide tel que (U,Pu)O2-x. Cependant, de la même façon que sur une ligne synchrotron, la précision des mesures peuvent être limitées par des interférences entre les raies d'émission des différents éléments présents dans les échantillons, et nécessitent l'utilisation d'un spectromètre d'émission en lieu et place des détecteurs habituels. L'objectif principal de cette thèse conjointe entre le LMAT et HIP est le développement de la méthodologie et l'instrumentation nécessaire à l'ajout d'un tel spectromètre d'émission au dispositif XAS existant au CEA Marcoule. Ces développements s'accompagneront de campagnes expérimentales dédiées à la compréhension des liens entre les observations expérimentales, i.e. les composantes spectrales, et les structures électroniques et locales des actinides dans les combustibles MOX, afin d'élaborer la connaissance tant théorique qu'expérimentale de leurs propriétés intrinsèques. Les propriétés microstructurales des échantillons seront préalablement étudiées à l'aide des moyens expérimentaux disponibles à ATALANTE. Ce sujet mettra en œuvre des techniques de caractérisations largement utilisés dans le domaine des sciences des matériaux, des méthodes de simulation de spectres ainsi que du développement instrumental et méthodologique. Il s'effectuera dans un premier temps en Finlande, à l'Helsinki Institute of Physics, puis dans un deuxième temps au sein du LMAT du CEA Marcoule, avec ponctuellement des campagnes expérimentales auprès des synchrotrons.

Over the past decades, X-ray absorption spectroscopy (XAS) has become an essential tool to material research. Nowadays, this nondestructive characterization technique is used in the research programs on nuclear fuels carried out at CEA in connection with the development of new manufacturing processes, their behavior during irradiation and their storage. Until very recently, XAS experiment could only be performed at a synchrotron facility. However, laboratory XAS experimental set-ups have become reality thanks to recent technological developments. A device optimized to the characterization of radioactive samples is currently being installed at CEA Marcoule within the framework of a collaboration between the chemical analysis and materials characterization laboratory (LMAT, CEA Marcoule, France) and the Helsinki Institute of Physics (HIP) from the University of Helsinki (Finland). This experimental set-up located within the ATALANTE nuclear facility, opens up new perspectives for the studies of mixed oxide fuels such as (U,Pu)O2-x thanks to the possibility of working directly on real material. However, similarly to what happen at synchrotron beamline, interferences between the Xrays emission lines of the different elements in the samples can alter the precision of the measurements and require the use of an emission spectrometer instead of the usual fluorescence detectors to circumvent this issue. The main objective of this joint PhD thesis between LMAT and HIP is the development of the methodology and instrumentation necessary to implement such an emission spectrometer within the XAS set-up of CEA Marcoule. This development will begin in Finland at the Helsinki Institute of Physics where it will be tested and used on uranium-based materials. Once this task is completed, experimental campaigns dedicated to understand the links between experimental observations, i.e. spectral components, and the electronic and local structures of actinides in mixed oxides fuels, will be performed at CEA Marcoule. The microstructural properties of the samples will be also assessed beforehand using all experimental and theoretical methods available at ATALANTE. Thus, this subject will require to implement characterization techniques widely used in the field of materials science, spectral simulation methods as well as instrumental and methodological development. The thesis will first be carried out in Finland, at the Helsinki Institute of Physics, then secondly within the LMAT of CEA Marcoule, with occasionally experimental campaigns at synchrotron facilities within Europe.