Un partie des sujets de recherche prioritaires pour l’équipe traite de l’utilisation des liquides hautes températures dans le cycle électronucléaire (amont et aval) avec un souci constant de coupler expérience / simulation. L’autre partie vise en la synthèse de métaux, d’alliages intermétalliques et de poudre de carbone nanométrique destinés à des générateurs électrochimiques.
Les sels fondus pour l’amont et l’aval du cycle électronucléaire
Depuis plusieurs années, une activité transversale importante de l’équipe « Electrochimie & Liquides Ioniques » est axée autour du thème Fluor & Energie. Ce thème, qui s’insère dans le triptyque de l’UMR (Energie, Santé & Environnement), revêt une importance capitale en termes d’impact sociétal. En effet, à l’aube du 21ème siècle, l’un des défis auxquels est confrontée notre société est la production, le stockage et la conversion de l’énergie. Ainsi, les projets de recherche prioritaires que nous mettons en œuvre traitent notamment de l’utilisation des liquides ioniques hautes températures dans le cycle électronucléaire (amont et aval), ainsi que l’élaboration de nouveaux matériaux d’électrodes pour accumulateurs de type lithium-ion et batterie à sels fondus.
Les recherches développées dans l’activité Liquides ioniques hautes températures associent une double approche théorique (simulations moléculaires) et expérimentale (électrochimie) notamment pour l’étude de fluorures fondus, dans le cadre de leur utilisation pour la production d’énergie nucléaire. Deux étapes du cycle électro-nucléaire sont principalement concernées : d’une part la préparation du fluor en milieu KF-2HF qui est utilisé pour la fluoration de l’uranium et son enrichissement isotopique, et d’autre part la mise au point des réacteurs à sels fondus (Génération IV) à base de combustible LiF-ThF4. Notre laboratoire possède ainsi une double compétence théorique et expérimentale qui fait référence en la matière.
Secteur amont du cycle électronucléaire
Les enjeux sont considérables sur le plan industriel dans la mesure où le fluor est utilisé pour la synthèse directe de l’hexafluorure d’uranium (UF6). L’enrichissement de l’uranium naturel s’effectue par diffusion gazeuse ou ultracentrifugation via l’UF6. Les recherches menées en partenariat avec la Comurhex visent l’étude fondamentale des mécanismes complexes mis en jeu lors de l’oxydation des ions fluorures pour donner du difluor (F2), ceci afin d’aiguiller notre partenaire industriel vers des modifications de leur procédé d’électrolyse. Ce procédé est caractérisé par deux paramètres : a) la chute ohmique dans l’électrolyte (de l’ordre de 3V) qui résulte de l’éloignement de l’anode et la cathode de plusieurs centimètres, nécessaire afin d’éviter toute recombinaison explosive des gaz formés (F2 et H2, respectivement) ; b) la surtension anodique (2,5 V) qui trouve son origine dans la formation d’un film solide fluorocarboné à la surface des anodes de carbone.
Financements :
- Bourse doctorale co-financée Areva/CNRS
- Contrat de recherche avec la société Areva.
Secteur aval du cycle électronucléaire
Si l’avenir de l’industrie nucléaire ne semble pas être remis à cause à l’échelle globale du fait des besoins énergétiques, le paradigme d’une filière basée sur des réacteurs à eau légère tels que l’EPR uniquement est actuellement discuté. Parmi les alternatives crédibles, les réacteurs à sels fondus (RSF) ont connu ces deux dernières années un engouement sans pareil : des programmes de grande ampleur ont ainsi été mis en place en Chine et aux Etats-Unis (où la recherche sur les RSF était au point mort depuis les années 70). C’est cependant le concept de réacteur rapide basé sur un combustible au thorium, développé dans le cadre d’un programme concerté de recherche du CNRS, qui est à l’heure actuelle le plus avancé. Au cours des prochaines années nous allons participer au développement de ce concept.
La chimie des sels fondus nécessite non seulement des conditions expérimentales répondant à de sévères normes de sécurité mais surtout des aptitudes expérimentales rigoureuses. La double compétence expérience/simulation mise en place ces dernières années nous permet d’être un acteur majeur de la recherche mondiale sur la thématique des sels fondus. Nous participons ainsi au projet européen EVOL (Evolution and Viability Of Liquid fuel fast reactor systems) notamment par le biais du financement d’un post-doc (démarrage fin 2012 – début 2013, post-doc déjà recruté) dont l’objectif sera de développer des méthodologies de simulation pour calculer des coefficients d’activité d’ions actinides (principalement le plutonium) dans le combustible LiF-ThF4, ainsi que leur solubilité.
La participation à ce projet nous permet d’initier une nouvelle collaboration avec l’Institute for TransUranium elements (ITU) à Karlsruhe, centre de recherche de l’Union Européenne possédant toutes les installations requises pour caractériser les sels fondus. Nous participerons également au projet européen SACSESS (Safety of ACtinide Separation proceSSes dont un des objectifs est la mise en place d’un procédé de retraitement du combustible nucléaire en milieu sels fondus. À l’échelle nationale, nous sommes impliqués sur la thématique des réacteurs à sels fondus, dans le cadre de la mission interdisciplinarité NEEDS (Nucléaire, énergie, environnement, déchets, société) du CNRS.
Synthèse de matériaux d’électrode pour le stockage électrochimique de l’énergie
Le stockage de l’énergie est un des défis majeurs auquel doit faire face notre société. En effet le développement de sources de production alternatives (éolien, photovoltaïque) qui sont par nature intermittentes, et des véhicules électriques va accroître les besoins en systèmes de stockage efficaces, sûrs, économiques et respectueux de l’environnement.
Les études menées au Laboratoire visent en la synthèse de :
- nanoparticules de carbone et de graphène en milieu carbonates fondus
- alliages intermétalliques à base d’étain en milieu chlorures et fluorures fondus