Le développement de nouvelles filières de réacteurs nucléaires conduit à envisager des méthodes innovantes de fabrication des combustibles de type MOx (U,Pu)O2. Dans ce cadre, des travaux récents se sont intéressées à la conversion hydrothermale de carboxylates d’actinides tétravalents, notamment des oxalates. Ce procédé permet l’obtention directe d’oxydes d’actinides hydratés via l’utilisation de conditions dites « douces ». L’ajustement des conditions expérimentales permet en outre d’orienter les caractéristiques des poudres obtenues. Néanmoins, aucune étude impliquant l’utilisation du cation uranyle UO22+ n’est reportée, alors que plusieurs travaux ont mis en évidence la réduction de U(VI) par des matières organiques dans les milieux géologiques.
Ce sujet de thèse se propose donc d’aborder la précipitation directe, en conditions hydrothermales réductrices, de UO2+x et de solutions solides associées à partir de solutions à base d’uranyle. L’étude de systèmes simples contenant uniquement U(VI) sera tout d’abord entreprise en considérant différentes sources de matière organique. Une étude multiparamétrique permettra de préciser les conditions expérimentales permettant la réduction de U(VI) en U(IV) et la formation quantitative de UO2+x, tandis que le mécanisme de réduction sera étudié par le biais d’analyses XANES in situ sur les lignes FAME et FAME-UHD de l’ESRF. La seconde partie du travail concernera l’étude de systèmes mixtes contenant initialement de l’uranium (VI) et un cation tétravalent. Les systèmes U(VI)-Th et U(VI)-Ce(IV) seront étudiés en première approche, de manière à complexifier progressivement le comportement redox des échantillons. L’étude sera enfin transposée au système U(VI)-Pu(IV) sur l’installation ATALANTE du CEA Marcoule, en collaboration avec le DES/DMRC/SPTC/LSEM. Quel que soit le système chimique abordé, une caractérisation physico-chimique complète des solides obtenus sera entreprise. L’étude du frittage des poudres préparées sera également abordée.
Ce travail de thèse vise donc à proposer une voie alternative pour la fabrication/refabrication des combustibles nucléaires de future génération, en offrant la possibilité originale de réduire in situ l’uranium(VI) dans le réacteur, ce qui constitue une voie directe permettant de passer des ions en solution au solide final. Le candidat ou la candidate recherché(e) devra être titulaire d'un master ou d'un diplôme d'ingénieur en radiochimie, chimie séparative ou chimie des matériaux. Au cours de son travail, il/elle sera amené(e) à maîtriser de nombreuses techniques relevant de la chimie des matériaux, de la microscopie et de la chimie en solution, ce qui lui permettra de valoriser des compétences non seulement dans le domaine du nucléaire, mais aussi plus largement dans celui de l'élaboration de matériaux céramiques.