• Langue : Anglais
• Discipline : Chimie des matériaux
• Identifiant : 2023ULILR093
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 11/12/2023

Résumé en langue originale

Le réacteur à sels fondus a été reconnu par le forum Génération IV comme l'un des des six futurs concepts visant à remplacer les centrales nucléaires existantes utilisant des combustibles solides. Ce concept est intéressant pour la fermeture du cycle du combustible nucléaire et l'utilisation efficace du combustible nucléaire usé. Parmi les designs d'intérêt, on trouve le Réacteur Rapide à Sels Fondus, qui exploite le spectre rapide des neutrons, conduisant à une conversion améliorée du plutonium et des actinides mineurs. Alors que l'idée d'utiliser les sels fondus pour l'énergie nucléaire n'est pas nouvelle, les développements antérieurs se sont principalement concentrés sur les fluorures dans des configurations thermiques. Pour exploiter le spectre des neutrons rapides, les chlorures ont été retenus en raison d'une section efficace d'absorption tolérable en configuration rapide en comparaison des fluorures et d'une meilleure solubilité des actinides en milieux chlorure. L'objectif principal de cette thèse est de combler le vide expérimental et améliorer les connaissances sur les chlorures d'actinides, avec un accent particulier sur les chlorures contenant du plutonium. La thèse s'articule autour de sept chapitres. Une introduction, décrivant le contexte et les objectifs de la thèse, est le sujet du premier chapitre. Le deuxième chapitre se concentre sur la synthèse du trichlorure de plutonium (PuCl3) tandis que les chapitres suivants approfondissent l'acquisition de propriétés thermophysiques fondamentales des systèmes Pu-chlorures, en se concentrant sur le PuCl3 pur, le binaire NaCl-PuCl3, et le ternaire NaCl-MgCl2}-PuCl3. Le troisième chapitre présente les résultats sur les transitions de phase de ces systèmes, y compris des paramètres tels que la température et l'enthalpie de fusion de PuCl3 et de l'eutectique NaCl-PuCl3. Des études de diagrammes de phase ont été menées pour les trois systèmes binaires NaCl-PuCl3, NaCl-ch{MgCl2} et MgCl2-PuCl3 et le système ternaire. Le quatrième chapitre détaille les résultats obtenus sur le comportement de vaporisation du PuCl3 pur et de l'eutectique NaCl-PuCl3. L'étude implique la mesure de propriétés clés telles que la pression de vapeur, à partir de laquelle les enthalpies de sublimation et de vaporisation du PuCl3 ont été calculées. En outre le coefficient d'activité du PuCl3 liquide dans le mélange binaire a été déterminé. Le cinquième chapitre présente les mesures de densité effectuées de PuCl3 solide, ainsi que la densité liquide de l'eutectique NaCl-PuCl3 et NaCl-MgCl2-PuCl3 (56,7-35,2-8,1),mol%. Le sixième chapitre traite des travaux préliminaires sur l'acquisition des propriétés de transport. La première partie de ce chapitre décrit les travaux sur la détermination de la conductivité thermique de l'eutectique MgCl2}-KCl en vue de mesures futures sur des chlorures contenant du plutonium. La deuxième partie décrit l'équipement sélectionné et en cours d'adaptation au JRC-Karlsruhe pour les futures mesures de viscosité des sels fondus. Un septième chapitre viendra résumer et conclure ce manuscrit en soulignant les points d'intérêt pour des travaux futurs.Ces efforts contribuent collectivement à faire progresser notre compréhension de la technologie des réacteurs à sel fondus.

Résumé traduit

The Molten Salt Reactor has been recognized by the Generation IV forum as one of the six future concepts aiming to replace existing nuclear power plants utilizing solid fuel. This concept holds significance for closing the nuclear fuel cycle and efficiently utilizing spent nuclear fuel. Among the most intriguing designs is the Fast Molten Salt Reactor, which leverages the fast neutron spectrum, leading to enhanced conversion of plutonium and minor actinides. While the idea of using molten salts for nuclear energy is not new, previous developments mainly focused on fluorides in thermal configurations. For harnessing the fast neutron spectrum, chlorides have been chosen due to their hard neutron spectrum and higher actinides solubility. The primary objective of this thesis is to bridge the experimental gap and enhance our knowledge of actinide chlorides, with a specific emphasis on plutonium-containing salts. The thesis is structured into seven chapters. The first chapter comprises an introduction, describing the context and objectives of the thesis. The second chapter focuses on the synthesis of plutonium trichloride (PuCl3), while the subsequent chapters delve into the acquisition of fundamental thermophysical properties of Pu-chloride systems. These chapters concentrate on pure PuCl3, the binary NaCl-PuCl3, and the ternary NaCl-MgCl2-PuCl3. The third chapter presents the results concerning the phase transitions of these systems, including parameters such as the melting temperature and enthalpy of fusion of PuCl3 and the eutectic NaCl-PuCl3. Phase diagram studies were conducted for the three binary systems NaCl-PuCl3, NaCl-MgCl2, and MgCl2-PuCl3, as well as the ternary system. The fourth chapter details the findings regarding the vaporization behavior of pure PuCl3 and the eutectic NaCl-PuCl3. The study involves measuring key properties such as vapor pressure, from which the sublimation and vaporization enthalpies of PuCl3 were calculated. Additionally, the activity coefficient of liquid PuCl3 in the binary mixture was determined. In the fifth chapter, density measurements of solid PuCl3 are presented, along with the liquid density of the eutectic NaCl-PuCl3 and the composition NaCl-MgCl2-PuCl3 (56.7-35.2-8.1)mol%. The sixth chapter covers preliminary work on acquiring transport properties. The first part of this chapter describes efforts to determine the thermal conductivity of the eutectic MgCl2-KCl in preparation for future measurements on plutonium-containing chlorides. The second part outlines the selected equipment being adapted at JRC-Karlsruhe for future viscosity measurements of molten salts. A seventh chapter will summarize and conclude this manuscript, highlighting points of interest for future research. These efforts collectively contribute to advancing our understanding of molten salt reactor technology.