L’uranium de retraitement (URT), issu du retraitement du combustible nucléaire usé, représente une matière dont le réemploi en centrale permettrait une gestion durable des ressources énergétiques. Dans cette optique, le CEA apporte son soutien à la filière nucléaire pour évaluer la faisabilité d’un enrichissement de cet URT par voie laser. Cette technologie requiert en entrée de procédé de l’uranium sous forme d’alliage métallique. Par conséquent, un procédé amont de synthèse d’uranium métallique doit être développé et optimisé pour bâtir une filière URT souveraine.
Une des voies à l’étude pour synthétiser l’uranium métallique est d’électrolyser l’oxyde d’uranium, préalablement dissous en milieux sels fondus fluorures à haute température. Mise en œuvre autrefois aux États-Unis à partir du procédé de synthèse de l’aluminium, cette synthèse exige aujourd’hui une réappropriation et une optimisation des conditions expérimentales.
Dans une première phase, le(a) doctorant(e) mènera une étude systématique de l’électrolyte, afin de comprendre l’influence des paramètres clés — composition du sel, plage de température, environnement redox, compatibilité des matériaux et solubilité de l’oxyde — sur le comportement du bain d’électrolyse. Pour chaque paramètre, des essais ciblés seront conduits : caractérisation thermochimique du sel (point de fusion, volatilité, purification, etc.), évaluations de la cinétique et de la limite de solubilité de l’oxyde d’uranium dans le bain (point crucial du procédé), essais électrochimiques destinés à identifier les systèmes redox d’intérêt, ainsi que des études de tenue des matériaux au contact du sel fondu et du métal liquide. L’ensemble de ces investigations permettra de définir les conditions expérimentales optimales à la mise en œuvre contrôlée de la synthèse du métal par électrolyse de l’oxyde.
Dans une deuxième phase, une fois ces conditions établies, le travail portera sur la formation du métal à l’électrode, sa récupération et sa caractérisation. La quantité et la qualité du métal produit à l’issue de l’électrolyse seront les critères majeurs pour valider les paramètres expérimentaux retenus.
L’ensemble des données acquises sera exploité pour la conception d’électrolyseurs à échelles pilote et industrielle, et alimentera les futurs modèles numériques qui seront élaborés. Les résultats obtenus pourront faire l’objet de présentations lors de conférences internationales et de publications.
Ces études seront réalisées à l’échelle laboratoire en actif, avec des phases de travail sur simulant pour appréhender la mise en œuvre du procédé et le changement d’échelle. Le laboratoire d’accueil, qui opère dans ces deux environnements, est spécialisé dans la mise en œuvre de procédés thermiques et d’essais pyrochimiques.
Le(la) candidat(e) sera idéalement issu(e) d’une formation de niveau Master 2 ou école d’ingénieur en physico-chimie.
À l'issue de ce travail de thèse, le(la) doctorant(e) aura acquis une expertise sur les techniques expérimentales liées à la synthèse métallique par électrolyse, de la conception des dispositifs électrochimiques à la caractérisation multi-échelle des matériaux. De plus, son implication dans un projet à caractère souverain axé sur les métaux stratégiques lui ouvrira de nombreuses perspectives d’emploi en recherche académique ou en R&D industrielle, tant dans le secteur nucléaire que dans d’autres domaines de la chimie et des matériaux.