Le Centre d'ingénierie et de sciences nucléaires du PSI récompense ses doctorant.e.s en 2025 également

Benedetta Buzzatti

Premier groupe, Laboratory for Nuclear Materials (LNM) du PSI
Évaluation des propriétés de fluage de la couche de revêtement extérieur des crayons de combustible dans des conditions de stockage intermédiaire à sec
Les crayons de combustible usé entreposés à sec sont soumis à une pression et à une température interne dues aux produits de fission. Ces conditions provoquent un fluage de la gaine, qui peut potentiellement conduire à une défaillance. En outre, l'hydrogène absorbé dans la gaine résultant de la corrosion pendant le fonctionnement du réacteur affecte les propriétés thermomécaniques de la gaine, ce qui a un impact supplémentaire sur son comportement de fluage.

Une gaine extérieure à base de Zircaloy-4, connue sous le nom de gaine duplex (DX D4), se compose de deux alliages de Zirconium (Zr) distincts avec des compositions légèrement différentes: un substrat intérieur et une fine couche extérieure conçue pour améliorer la résistance à la corrosion. Ils présentent des solubilités différentes pour la précipitation de l'hydrogène et, par conséquent, des cinétiques de précipitation différentes pendant le refroidissement.

Ce projet de doctorat vise à étudier les propriétés de fluage de la couche externe de la gaine en zirconium dans des conditions de stockage à sec. Au cours de la première année, plusieurs techniques expérimentales d'étude du fluage seront examinées afin d'identifier l'approche la plus appropriée pour les matériaux de revêtement non irradiés et irradiés.

La première phase de cette étude comprend des essais de traction uniaxiale sur des échantillons avec un segment ductile et des extrémités élargies pour l'assemblage (dog-bone) de matériaux de revêtement et de substrat, avec et sans hydrogène. La figure 1 montre un échantillon «dog-bone» produit à partir de TREX, un pré-produit plus épais pour le revêtement de la gaine dont les traitements thermomécaniques diffèrent de ceux du revêtement final.

Les échantillons ont été produits par usinage par décharge électrique (EDM), en isolant le matériau du revêtement extérieur du substrat intérieur. L'utilisation du matériau TREX et cette technique garantissent une séparation précise des deux matériaux pour la caractérisation mécanique, ce qui n'est pas possible avec le revêtement final en raison de sa très faible épaisseur.

Ces résultats d'essais donneront un aperçu des propriétés mécaniques des pièces du revêtement et du substrat TREX, en particulier sous l'influence de l'hydrogène, et fourniront des indications sur les paramètres des expériences de fluage. Les objectifs futurs comprennent l'évaluation des différences dans le comportement de fluage du revêtement et du substrat TREX, des revêtements DX D4 et Zircaloy-4. Pour déterminer les lois de fluage pour le DX D4 et le Zircaloy-4, des essais sur des échantillons en forme de C seront réalisés en combinaison avec la méthode des éléments finis, en tenant compte des essais mécaniques antérieurs. L'objectif final est de réaliser des essais sur des revêtements DX D4 irradiés pour lesquels les propriétés de fluage ne peuvent être trouvées dans la littérature ouverte et qui sont d'un grand intérêt pour l'industrie.

Antonella Mele

Deuxième groupe, Department Radiation Safety and Security (ASI) du PSI et School of Engineering de l'EPFL
Modélisation avancée du détecteur PADC pour une dosimétrie neutronique précise
La dosimétrie des neutrons est un aspect essentiel de la radioprotection dans divers secteurs, notamment la production d'énergie nucléaire, les applications médicales et la recherche en physique des hautes énergies. Toutefois, les mesures précises de la dose de neutrons restent difficiles à réaliser en raison de l'extrême variabilité de l'énergie des neutrons, qui s'étend sur plus de dix ordres de grandeur et affecte à la fois les types de réaction et les sections efficaces d'interaction. De même, les facteurs de conversion fluence/dose peuvent varier en fonction de l’énergie des neutrons d'un ordre.
 
Ce projet vise à développer un modèle prédictif pour les détecteurs PADC afin d’estimer avec précision leur réponse. En intégrant une simulation Monte Carlo des conditions d'irradiation du détecteur avec un modèle analytique pour la formation et l'évolution de la trace neutronique, l'objectif est de prédire l'efficacité du détecteur pour n'importe quel spectre de neutrons et géométrie d'irradiation.
 
Le modèle est en cours de développement et sera validé dans des conditions de référence par des simulations et des expériences utilisant des sources de neutrons bien caractérisées telles que les sources ²⁴¹AmBe et le ²⁵²Cf. Les développements futurs se concentreront sur l'extension du modèle pour couvrir une gamme plus large d'énergies neutroniques et d'angles d'incidence, ainsi que sur des tests supplémentaires dans des champs neutroniques réalistes sur des lieux de travail.
 
Notre objectif est d'améliorer la réponse énergétique et l'efficacité de l'un des dosimètres neutroniques personnels les plus largement utilisés, tout en permettant de prédire sa réponse dans des champs neutroniques complexes ou mal caractérisés à l'aide de méthodes de calcul. Ceci est particulièrement important dans des environnements tels que les réacteurs nucléaires ou les accélérateurs à haute énergie où le champ neutronique varie fortement par rapport aux sources d'étalonnage, ce qui entraîne une plus grande incertitude et imprécision pour la détermination de la dose.

Vladislav Zobnin

Troisième groupe, Laboratory of Radiochemistry (LRC) du PSI
Thermosublimatographie du tellure dissous dans le LBE: mécanismes de transport et effets de l'humidité
L'eutectique plomb-bismuth (LBE) est un caloporteur prometteur pour la prochaine génération de réacteurs rapides refroidis par un alliage de plomb, en raison de ses propriétés thermophysiques favorables. L'évaluation de la sûreté de ces réacteurs nécessite de comprendre le comportement de volatilisation des impuretés radioactives telles que le tellure (Te) dissous dans le métal liquide. Notre recherche porte sur les mécanismes de transport du Te libéré du LBE à l'aide de la thermosublimatographie.
 
Les expériences ont été réalisées avec du LBE dopé au Te activé (x_Te = 0,001). Des colonnes en verre de quartz et en acier inoxydable ont été utilisées pour les expériences de thermosublimatographie. Les gaz vecteurs comprenaient de l'He sec, de l'He humidifié et de l'He contenant 10 % de H₂ en volume. Des méthodes d'analyse par spectrométrie gamma et SEM/EDX ont été utilisées.
 
Les résultats ont révélé deux dépôts distincts lorsque le tellure est évaporé à partir de LBE dans des colonnes de verre de quartz: un dépôt à haute température (~500°C) identifié comme PbTe, et un dépôt à basse température (~200°C) identifié comme Te cristallin. La formation du dépôt à basse température est attribuée à la décomposition du PbTe produisant une fraction volatile. L'humidité a influencé de manière significative ce processus de décomposition, une humidité plus élevée entraînant une décomposition presque complète du PbTe. Ce processus a été inhibé dans les atmosphères réductrices.
 
Les colonnes d'acier ont présenté un comportement différent, montrant seulement un dépôt de PbTe à haute température et aucun dépôt à basse température.
 
Nos résultats démontrent que le Te s'évapore principalement sous forme de PbTe à partir du LBE, ce qui peut être interprété comme une rétention, puisque le PbTe est moins volatil que le Te élémentaire.

Noemi Cerboni

Quatrième groupe, Laboratory of Radiochemistry (LRC) du PSI
Amélioration de la stabilité des cibles pour la production d'éléments superlourds par réduction couplée
La production d'éléments superlourds nécessite des cibles robustes capables de résister à des faisceaux d'ions lourds intenses tout en dissipant efficacement la chaleur et la charge. En raison de la rareté des actinides lourds, le placage moléculaire (MP) est largement utilisé pour la fabrication de cibles grâce au rendements de dépôt élevés qu'il permet d'atteindre. Cependant, les couches déposées par placage moléculaire manquent de conductivité thermique et électrique, ce qui les rend susceptibles à être endommagées pendant l'irradiation. Pour remédier à ce problème, I. Usoltsev et al. ont introduit la réduction couplée (RC) - un traitement à haute température (840 - 1100 °C) sous atmosphère d'hydrogène après la MP - afin d'améliorer la stabilité des cibles. Les premiers essais réalisés dans des conditions d'irradiation typiques à l'Institut de recherche nucléaire de Dubna, en Russie, ont donné des résultats prometteurs.

Cette thèse vise à mieux comprendre le mécanisme sous-jacent de la réaction RC et à développer des cibles minces, conductrices et robustes pour la production future d'éléments super-lourds. En tant que substituts des éléments actinides tardifs, des films minces de lanthanoïdes (Ln) ont d'abord été déposés sur des substrats de Pd ou de Pt par MP, puis par RC à différentes températures de traitement. La morphologie de surface, le comportement de diffusion et la composition des phases ont été analysés par SEM/EDX, α-spectroscopie et XRD. Les résultats obtenus indiquent que la structure finale - soit un composé intermétallique, soit une solution solide - dépend du rapport stœchiométrique entre Ln et Pd. En outre, la spectroscopie α a été utilisée pour étudier comment les différents matériaux du substrat (c.-à-d. Pd vs. Pt) influencent le comportement de diffusion du Ln. Dans une étape suivante, une cible de Pd mince multicouche a été fabriquée à l'aide de différents substrats, et leur stabilité thermique a été évaluée au moyen d'une analyse SEM/EDX et d'une analyse FIB en coupe transversale. D'autres tests sont en cours pour affiner et optimiser l'approche.
 
Les résultats présentés permettent d'approfondir notre compréhension de la RC, contribuant ainsi non seulement au développement de cibles robustes pour la production d'éléments super-lourds, mais aussi à des applications plus larges dans des projets connexes.