Etudes et compréhension pour la qualification d’un procédé industriel de synthèse de PuCl3 – NIOUSALT

La pureté du sel aux différentes étapes de la préparation - chloration, mélange, purification finale à l’état liquide - ainsi que la compatibilité des matériaux de structure au contact des différents milieux réactionnels sont autant d’éléments clés à définir pour la qualification du procédé. En alliant l’expertise d’Orano à celles de deux laboratoires, l’UCCS (Chimie) et l’UMET (Matériaux), la chaire réalise les expériences nécessaires à l’identification et au paramétrage d’une voie de synthèse de PuCl3 qui soit compatible avec le procédé industriel de retraitement du combustible existant à Orano - La Hague et transposable à l’échelle industrielle. Le choix s’est porté sur la synthèse de PuCl3 par réaction gaz-solide, à partir d’une forme chimique compatible avec la production d’aujourd’hui. Dans la mesure où la manipulation du plutonium requiert l’utilisation d’installations dédiées et l’emploi de personnes habilitées, les données sont acquises à partir de systèmes considérés comme analogues chimiques, non radioactifs, à base de cérium ou de néodyme. Le programme de travail s’organise autour de 6 lots allant de la synthèse à l’échelle de la paillasse au semi-pilote et passant par l'étude des matériaux et des interactions aux interfaces.

Un banc de chloration a été conçu et installé à l’UCCS. Une série de synthèses par réaction solide-gaz a permis d’obtenir du chlorure de cérium avec des rendements de conversion très satisfaisants (> 95%). Une étude paramétrique visant à évaluer l’impact de la rampe de chauffe, de la température de palier, du temps de palier, du débit de gaz et de la teneur en hydrogène et en HCl, sur la composition finale de la poudre a été réalisée. Cette campagne d’essais a permis d’éclairer les mécanismes réactionnels à l’origine de la formation de CeCl3 et d’orienter le paramétrage des essais conduits à l’échelle 1 au Centre d’Innovation en Métallurgie Extractive du Groupe Orano. L’étape de purification de CeCl3 en sels chlorures fondus ainsi que d’autres voies de synthèse de CeCl3 et d’UCl3, innovantes, sont en cours d’étude. En parallèle, un état de l’art sur les matériaux a permis de sélectionner plusieurs matériaux d’intérêt. Une étude de leur microstructure (dureté, taille de grain, phase) a été effectuée afin de qualifier la microstructure avant essais en immersion en sels fondus à haute température. Un montage permettant d’effectuer des essais de corrosion en sels fondus de chlorures à chimie contrôlée et haute température a été conçu, dessiné, usiné et validé à l'UMET. Pour des raisons de coût, le sel d’étude NaCl-LaCl3 servira à valider le protocole expérimental et à identifier des premiers points d’endommagement avant de transposer les essais au système NaCl-CeCl3. Afin d’accroitre la connaissance qui permettra de déterminer les mécanismes réactionnels aux interfaces, une détermination structurale des phases susceptibles de se former a été entreprise dans des systèmes incluant les éléments du sel et les éléments métalliques issus des alliages. Les méthodes de croissance cristalline retenues privilégient les conditions de fonctionnement approchant celles des réacteurs de synthèse et de purification : le transport en phase gazeuse (Chemical Vapor Transport, CVT), simulant l’interface alliage métallique/gaz vecteur, et la synthèse en milieu sels fondus (Molten Salt Synthesis, MSS) simulant l’interface alliage métallique/bain fondu.

Différentes impuretés ayant été identifiées au cours de la chloration solide-gaz (oxyde, oxychlorure, intermédiaire réactionnel), la suite des essais vise à définir les conditions opératoires permettant d’éviter leur formation, ou, le cas échéant, de les chlorer pour les éliminer. L’étude paramétrique de la réaction solide-gaz sera étendue à d’autres précurseurs d’intérêt pour Orano. En plus, le sel produit étant amené à être utilisé en mélange avec d’autres composants, une étude poussée de la purification en bain de sels fondus sera menée. Une attention tout particulière sera portée à la compréhension des effets d’échelle et des mécanismes à l’origine de la corrosion grâce à la synergie avec les futures campagnes d’essais prévues au Centre d’Innovation en Métallurgie Extractive. Des analyses de prélèvements/poussières et une inspection visuelle des différents équipements après campagne d’essais seront réalisées à cet effet. Cette campagne d’essais s’accompagnera d’un échange renforcé avec la chaire au sein de laquelle l’étude de la réactivité des matériaux aux interfaces sera poursuivie via (i) l’étude de la tenue des matériaux sous exposition à haute température et à l’atmosphère gazeuse chlorée (ii) la détermination structurale des phases susceptibles de se former par réaction des alliages métalliques avec les gaz vecteurs et/ou le bain fondu.

A ce jour les travaux de la chaire ont fait l’objet de deux communications dans le cadre de congrès nationaux (R3C 2024, CENTRA 2025) et d’une conférence internationale (NUFUEL 2025). Une fiche technique portant sur une méthode originale de synthèse de UCl3 a également été rédigée dans l’objectif de lancer une étude de brevetabilité.

L’ambition de la chaire industrielle NIOUSALT s’inscrit dans le grand défi national d’un nucléaire plus durable, plus sûr et plus économique, tel que souhaité dans les objectifs du programme France 2030 et de développement durable adoptés par l'Organisation des Nations Unies.

La chaire industrielle NIOUSALT est construite sur la base d’un partenariat solide et de longue date entre le laboratoire UCCS (Unité de Catalyse et Chimie du Solide UMR 8181) et l’entreprise ORANO. En lien avec l’UMET (Unité de Matériaux et Transformation UMR 8207), l’Université de Lille et Polytech’Lille basés à la Cité Scientifique à Villeneuve d’Ascq, la chaire a pour objectif de développer un nouveau sujet de collaboration autour des petits réacteurs modulaires à sels fondus (RSF) pour la filière du nucléaire.

La chaire est portée et coordonnée par la Professeure Murielle Rivenet qui dirige l’équipe CIMEND (Chimie, Matériaux et Procédés pour un Nucléaire Durable) du laboratoire UCCS et dont les recherches portent sur la chimie des lanthanides et actinides pour le cycle du combustible nucléaire dans une optique de recyclage des matières valorisables et de valorisation des sous-produits.

Le programme scientifique vise à paramétrer la synthèse à l’échelle 1 d’un combustible modèle par une voie industrielle compatible avec les procédés de recyclage des combustibles nucléaires usés. Un des principaux livrables sera d’apporter les conditions optimales de synthèse qui permettront, à échéance de 2030, de développer une installation pilote de production de sels visant à produire les quantités de PuCl3 nécessaires au fonctionnement des démonstrateurs de RSF à sels fondus chlorures.

Le programme s’organise autour de 6 lots de travaux allant de la synthèse au semi-pilote avec un responsable pour chaque lot et des ressources humaines nouvelles très structurantes avec le recrutement de 4 stagiaires, 4 doctorants, 4 ingénieurs et 1 ATER et la création d’un Mastère Spécialisé.

La chaire a mis en place une gouvernance basée sur 4 comités réguliers pour gérer : i) le suivi des avancées scientifiques avec le COTECH (4/an), ii) le suivi des orientations dans le cadre d’un COS (2/an) avec possibilité de participation de partenaires experts internationaux reconnus et l’organisation de séminaires, iii) les bilans, le suivi des livrables et indicateurs, les décisions opérationnelles, les choix de publications et valorisation avec le CODIR (1/mois) et iv) le pilotage général avec le COPIL (1/an) en présence des directeurs, des partenaires et des financeurs.

Ainsi, la chaire NIOUSALT sera très structurante et stratégique pour les partenaires et pour la filière nucléaire avec des retombées très attendues en recherche et des résultats majeurs sur la synthèse de combustibles simulants, l’optimisation des conditions de synthèse en lien avec le recyclage, et l’endommagement des matériaux, en formation avec le mastère, en valorisation avec des publications, des brevets et des échanges possibles avec un réseau de start-ups dans le domaine de la construction des RSF, et en transfert avec le développement d’un semi-pilote.