Le département Énergie nucléaire et sécurité du PSI récompense ses doctorants en 2023 également

Natan Jules Garrivier

1^re année de doctorat, PSI: Laboratory for Nuclear Materials & EPFL
Études par rayon-X et Neutron Operando des assemblages RAFM-Tungstène imprimés en 3D pour la fabrication de composants faisant face au plasma
Les progrès réalisés dans l’architecture du cœur des réacteurs de fusion nucléaire ont conduit à considérer la fabrication additive métallique (AM) comme l’un des principaux procédés de fabrication, en particulier pour les composants dont la structure interne est très complexe comme le «blanket» et le diverteur.
Les procédés de fabrication additive par laser sont envisagés pour la production de ces pièces, car il s’agit de l’une des méthodes avec le meilleur rapport coût-efficacité pour produire de tels composants, tout en ayant l’avantage de permettre pratiquement n’importe quelle forme.
Parmi les matériaux proposés pour les composants faisant face au plasma (PFC), le tungstène (W) est le principal candidat au blindage de la première paroi recouvrant la structure en acier RAFM* du cœur du réacteur. Idéalement, les matériaux W et RAFM sont directement soudés; cependant, l’assemblage de ces deux matériaux très dissemblables par AM laser pose un défi sérieux et à multiples facettes, compte tenu de leurs paramètres de traitement très différents.
Des spécimens bicouches de tungstène sur RAFM ont été imprimés par AM laser; la formation de phases intermétalliques à l’interface a été observée et caractérisée à l’aide de diverses techniques operando (XRD) et ex-situ (EBSD, µXRD, µXRF et imagerie neutronique), et le champ de contrainte/déformation résultant a été mesuré à l’aide de l’imagerie «Neutron Bragg-edge».
*= Reduced-Activation Ferritic/Martensitic (RAFM) steel

Georg Alexander Tiebel

2^e année de doctorat, PSI: Laboratory of Radiochemistry & EPF Zurich
Un système «ion-funnel-to-IVAC» pour des expériences préparatoires avec des radionucléides ayant des demi-vies inférieures à la seconde
La caractérisation chimique des éléments superlourds (ESL, Z ≥ 104) est limitée par les faibles taux de production des produits de réaction nucléaire (PRN) et les demi-vies courtes des radioisotopes produits de ces éléments. L’approche de pointe utilisée pour de telles études est la (thermo)chromatographie d’adsorption gazeuse, qui atteint ses limites avec des radionucléides ayant des demi-vies de ≳ 1 s. Par conséquent, les techniques actuellement disponibles ne permettent pas de traiter les radio-isotopes des ESL dont la demi-vie est inférieure à la seconde. Une alternative prometteuse est le transfert des PRN dans le vide (régime de flux moléculaire), qui peut permettre la caractérisation de radionucléides à plus courte durée de vie (t_1/2 ≤1 s). Cependant, ce transfert de PRN nécessite une interface appropriée entre la pré-séparation physique et, par exemple, une partie de chromatographie d’adsorption sous vide isotherme (IVAC).
Nous présentons ici la conception d’une cellule de gaz tampon pour l’arrêt et le transfert des PRN derrière un séparateur rempli de gaz dans le vide. En outre, nous présentons la conception finale d’une expérience IVAC évaluée à l’aide de simulations MONTE CARLO pour des essais au Cyclotron Institute of Texas A&M University.

Silvia Motta

3^e année de doctorat, PSI: Department of Radiation Safety and Security
Détecteurs de luminescence : une technique indépendante du débit de dose pour la dosimétrie des faisceaux à très haut débit de dose
Les progrès récents de la radiothérapie avec des faisceaux à très haut débit de dose (débits de dose moyens > 40 Gy/s, appelés FLASH) ont créé de nouveaux défis pour la métrologie et la dosimétrie. Comme les détecteurs standard utilisés pour la radiothérapie conventionnelle sont affectés par des effets de saturation à des débits de dose très élevés, il est nécessaire d’identifier d’autres détecteurs indépendants du débit de dose, tels que les détecteurs à thermoluminescence (DTL) et les détecteurs à stimulation optique (OSLD). Par conséquent, l’objectif de ce projet de doctorat est d’étudier les effets possibles du débit de dose dans divers matériaux de luminescence, à la fois expérimentalement et théoriquement. Dans ce cadre, ce travail donne un aperçu des résultats expérimentaux obtenus jusqu’à présent pour caractériser les DTL et les OSLD à des débits de dose élevés dans des faisceaux d’électrons et de protons.
Différents DTL et OSLD ont été utilisés, choisis parmi les plus utilisés pour la dosimétrie médicale et personnelle. Dans un premier temps, nous avons démontré qu’une précision supérieure à 2 % peut être obtenue avec ces matériaux lorsqu’un protocole de dosimétrie spécifique est utilisé. Ce protocole utilise la source bêta intégrée dans le lecteur TL/OSL pour corriger individuellement la réponse du détecteur en fonction des variations de sensibilité et de masse. Le protocole mis au point a été appliqué aux expériences avec des faisceaux à très haut débit de dose réalisées au Centre de thérapie protonique du PSI, à l’Institut fédéral de métrologie (METAS) et à l’hôpital universitaire de Zurich.
Des matrices de cubes LiF:Mg,Ti (taille de 1 mm) ont été utilisées pour relever le défi de la dosimétrie des faisceaux de protons étroits. Il a été démontré que la réponse de ce matériau est indépendante du débit de dose de protons jusqu’à un débit de dose moyen de 4500 Gy/s. Différents DTL et OSLD ont également été étudiés dans des faisceaux d’électrons jusqu’à un débit de dose instantané de 350 kGy/s. Deux campagnes expérimentales indépendantes menées dans des installations différentes ont démontré que les matériaux étudiés sont indépendants du débit de dose.
Les résultats prouvent que les cubes LiF:Mg,Ti conviennent à la dosimétrie des faisceaux de protons étroits à très haut débit de dose, en particulier pour soutenir les expériences radio-biologiques. L’indépendance du débit de dose des DTL et OSLD étudiés dans les faisceaux d’électrons à très haut débit de dose les rend appropriés pour la dosimétrie de référence, en particulier pour corriger la réponse des détecteurs dépendants du débit de dose.
Les résultats prouvent que les cubes LiF:Mg,Ti conviennent à la dosimétrie des faisceaux de protons étroits à très haut débit de dose, en particulier pour soutenir les expériences radio-biologiques. L'indépendance du débit de dose des DTL et OSLD étudiés dans les faisceaux d'électrons à très haut débit de dose les rend appropriés pour la dosimétrie de référence, en particulier pour corriger la réponse des détecteurs dépendants du débit de dose.

Jerry Peprah Owusu

4^e année de doctorat, PSI: Laboratory for Waste Management & Université de Berne
Compréhension mécanistique du transport de gaz dans les roches argileuses saturées et partiellement saturées à partir de simulations de dynamique moléculaire et de modélisation à l'échelle du pore
Ce travail applique les simulations de dynamique moléculaire (MD) et la modélisation de Lattice Boltzmann (LB) à l’échelle du pore pour étudier le mécanisme de transport diffusif des molécules volatiles dans les roches argileuses à l’état saturé et partiellement saturé. Les connaissances obtenues sur le mécanisme de transport des gaz à l’échelle moléculaire et des pores sont utilisées pour l’interprétation des études expérimentales de diffusion en laboratoire et sur le terrain concernant le transport des gaz dans les minéraux argileux compactés.
Le concept suisse d’élimination des déchets repose sur la combinaison de barrières techniques et géologiques. Dans la cellule de stockage des éléments combustibles usés, de grandes quantités de gaz seront produites par la corrosion anaérobique des conteneurs de stockage en acier au carbone, la radiolyse de l’eau et la décroissance radioactive des déchets. De grandes quantités de CH₄ (et de CO₂) peuvent également résulter de la dégradation chimique et biologique des matières organiques contaminées dans les dépôts souterrains pour les déchets de faible et moyenne activité. Si ces gaz s’accumulent à un rythme élevé, une augmentation locale de la pression des gaz peut potentiellement compromettre l’intégrité des roches d’accueil et le concept de sécurité du dépôt. L’un des paramètres les plus importants contrôlant la dissipation des gaz dans les systèmes de stockage est la mobilité par diffusion des espèces gazeuses dans les roches d’accueil. La mobilité par diffusion des gaz dans les argiles compactes et les roches argileuses à l’état saturé et partiellement saturé fait l’objet d’études intensives dans le cadre d’expériences de diffusion sur le terrain et à l’échelle du laboratoire. Ces études fournissent des mesures précises de la mobilité macroscopique des gaz à l’échelle de l’échantillon. Le mécanisme détaillé du transport du gaz et le mécanisme de l’interaction entre la molécule et la surface minérale restent non résolus dans les expériences macroscopiques.
En complément des études expérimentales, ce projet de doctorat en modélisation étudie le rôle du confinement et de la connectivité des pores dans le transport des gaz en combinant les simulations MD à grande échelle et la modélisation LB à l’échelle des pores. Le but ultime du projet est de fournir un lien entre la diffusivité à l’échelle moléculaire des molécules gazeuses confinées dans des conditions saturées et partiellement saturées obtenues par les simulations MD et les coefficients de transport macroscopiques (mesurés dans les expériences) avec une modélisation 3D à l’échelle des pores du transport de gaz en tenant compte de la géométrie explicite des particules d’argile et de l’espace entre pores.

Shaileyee Bhattacharya

4^e année de doctorat, PSI: Laboratory for Nuclear Materials
Analyse au niveau atomique des effets de l’irradiation sur les matériaux du combustible nucléaire
Ce travail met en évidence l’analyse et l’évaluation des modifications structurelles et chimiques, au niveau atomique et des états électroniques, dans les combustibles usés d’UO₂ utilisé dans un réacteur nucléaire. Des sous-échantillons de combustible de la taille d’un micron, préparés à partir de pastilles irradiées, ont été étudiés à l’aide de rayons X.
Afin de déterminer les propriétés du matériau UO₂ à gros grains, des échantillons de combustible prélevés dans des pastilles d’UO₂ standard et d’UO₂ dopé au Chrome ont été examinés et comparés.
A partir de l’analyse des données de diffraction des rayons X par microfaisceau, les effets de l’incorporation des produits de fission sur l’évolution du paramètre de réseau de l’UO₂, les structures de défauts induites par l’irradiation et les densités d’énergie de déformation locales ont été évalués et quantifiés.
Les résultats des mesures de spectroscopie d’absorption des rayons X par microfaisceau donnent un aperçu de l’état chimique et de la structure atomique locale de l’élément U dans la matrice du combustible usé. Les résultats obtenus à l’échelle atomique sont importants pour mieux comprendre les modifications cristallographiques dans l’UO₂ irradié et nécessaires pour prédire le comportement du combustible à un niveau microscopique ou macroscopique.