Réunion du 7 novembre 2013

Réunion Groupe de Travail Analyses à hautes températures
jeudi 7 novembre 2013 – CEA Ponant Paris

Présents :
Lionel Aranda (IJL-CP2S/Université de Lorraine), Jean-Claude Crivello (UPEC/CNRS), Nicolas David (IJL-CP2S/Université de Lorraine), Annelise Gallais-During (LAMIR DEC-CA3C/CEA), Guillaume Géandier (IJL-SI2M/Université de Lorraine), Stéphane Gossé (LM2T/CEA-Saclay), Christine Guéneau (LM2T/CEA-Saclay), Amin Janghorban (SYMME/Université de Savoie), Jean-Marc Joubert (UPEC/CNRS), Marc Lomello (SYMME/Université de Savoie), Andréa Quaini (LM2T/CEA-Saclay), Olivier Rapaud (SPCTS/Université de Limoges), Bernard Rouat (IJL-SI2M/Université de Lorraine), Sophie Schuller (DTCD-SECM/CEA-Marcoule), Thierry Schweitzer (IJL-CP2S/Université de Lorraine)

Objectifs :
-*Présentation des équipes et du contexte des études en cours et envisagées
-*Présentation des techniques utilisées, des besoins, des verrous, …
-*Discussion autour des aspects thermodynamiques à hautes températures

1- Présentation des équipes :

SYMME (EA 4144) / Université de Savoie
Personnel impliqué : Caroline Antion, Amin Janghorban, Marc Lomello
Contexte / thématiques : Santé (matériaux actifs pour capteurs de gaz), Energie (données thermo) / Détermination expérimentale des diagrammes de phases, Mesure de données thermodynamiques par calorimétrie de chute et DSC (Cp, ΔfH, ΔHdiss), en cours de développement: modélisation CALPHAD
Systèmes étudiés : Ag-Zr, Ce-Au, Ce-Au-Pt, Ir-Rh-(Pt)
Verrous / besoins : Réactivité à très hautes températures (2400°C), choix des creusets pour l’ATD

IJL-SI2M (UMR 7198), Groupe Microstructure et Contrainte / Université de Lorraine
Personnel impliqué : Guillaume Geandier,
Contexte / thématiques : Métallurgie, Aéronautique, Mécanique / Etude des relations microstructure-propriétés mécaniques et des propriétés thermo-mécaniques d’alliages intermétalliques et de composites de type matrice-renfort. Développement d’environnements complexes de caractérisation en laboratoire et sur grands instruments (ESRF)
Systèmes étudiés : acier, base Ti, base Al
Verrous / besoins : Maîtrise des gradients de température / accès aux grands instruments (ESRF, HASYLAB, DIAMOND)

IJL-SI2M, Groupe Solidification / Université de Lorraine
Personnel impliqué : Bernard Rouat, Julien Zollinger,
Contexte / thématiques : Métallurgie, Aéronautique, Mécanique / Etude de la mise en place des structures, de la cristallisation des dendrites à la microstructure à l’échelle millimétrique : étude des pâtes interdendritiques, étude de la solidification dirigée d’alliages métalliques à 1700°C, étude d’assemblages hétérogènes, optimisation de procédés, appui de la modélisation thermodynamique
Systèmes étudiés : Alliages base Ti, Ti-Al, bases alu et fer
Verrous / besoins : Réactivité avec les creusets, problème du choix du creuset sur TiAl, contamination des machines / accès aux bases de données (bases Ti-Al), collaboration recherchée pour la constitution de bases de données, régulation de la température au refroidissement

SPCTS (UMR 7315) / Université de Limoges
Personnel impliqué : Olivier Rapaud, Alexandre Maître
Contexte / thématique : Energie, protection thermique, synthèse de matériaux à hautes performances / Elaboration et caractérisation de carbures et d’oxycarbures, optimisation de procédés de frittage sous conditions sévères (2000°C), étude de la réactivité des carbures vis vis de O2 et de l’effet sur la température de frittage, modélisation Calphad
Systèmes étudiés : Zr-C, Ti-C, Hf-C, et systèmes ternaires avec O : étude des solutions solides oxycarbures.
Verrous / besoins : Réactivité avec les creusets oxydes, problème de disparité des données (même à haute température), détermination de données thermodynamiques et diagrammatiques (températures élevées)

IJL-CP2S, Groupe Surface et interface, réactivité chimique des matériaux / Université de Lorraine
Personnel impliqué : Nicolas David, Lionel Aranda, Thierry Schweitzer
Contexte / thématique : Energie nucléaire, aéronautique, matériaux réfractaires / Etude du comportement des matériaux, transformation de phases, corrosion, détermination expérimentale des diagrammes de phases, mesures de données thermodynamiques calorimétrie (Cp, ΔfH) et potentiométrie, développement de bases de données, modélisation thermodynamique CALPHAD,
Systèmes étudiés : (Pb-Bi)-acier-(Cr,Al,Si)–O, alliages réfractaires base Nb
Verrous / besoins : mesures de données thermodynamiques au-delà de 1500°C

LAMIR DEC-CA3C / CEA
Personnel impliqué : Annelise Gallais-During,
Contexte / thématique : Nucléaire / Etude du combustible irradié, étude de la formation des phases dans les réactions de fissions, en situations d’accident dans des conditions extrêmes : 2600°C + vapeur d’eau + entrée d’air à 2000°C
Systèmes étudiés :
Verrous / besoins : évaluation des températures au-delà de 2000°C / collaboration recherchée pour la modélisation thermodynamique

DTCD-SECM / CEA-Marcoule
Personnel impliqué : Sophie Schuller,
Contexte / thématique : Nucléaire / Calcination – vitrification de déchets radioactifs, Optimisation des conditions d’élaboration des verres de conditionnement de déchets radioactifs :
-*Etude des processus de démixtion (séparation de phase liquide-liquide) , et de cristallisation induit lors du refroidissement ou sous l’influence de parois froides (étude du gradient de cristallisation et de l’effet volumique)
-*Etude de la réactivité chimique entre les précurseurs lors de l’élaboration des verres (modélisation de la chimie et la thermique)

  • Optimisation des propriétés redox et conductivités à haute température (thermique et électrique)

Systèmes étudiés : verres borosilicates de sodium simples et complexes, composés nitrate et oxyde de type nitrate d’aluminium, sodium, MoO3, Nd2O3, RuO2.
Verrous / besoins : Manque de données thermodynamiques / mesures de Cp, H, G(compétences, méthodologie), mesure ou estimation des enthalpies de formation, des phases cristallines et de leurs valeurs de Cp (à T donnée), diagrammes de phases verres, couplage SM et microGC pour analyse des gaz en sortie.

UPEC / CNRS
Personnel impliqué : Jean-Marc Joubert, Jean-Claude Crivello,
Contexte / thématique : Matériaux métalliques réfractaires, Energie / Etude de composés intermétalliques à base de terres rares, étude des propriétés magnétiques, stockage de H2 (hydrures), étude des diagrammes de phases binaires bcc+fcc : phases Frank-Casper, modélisations CALPHAD et DFT (Jean-Claude Crivello)
Systèmes étudiés : Re-Mo, Mo-Ni-Re, W-Ni, W-Fe, Nb-Ni, Sn-Zr, Fe-Ti-V, Fe-Sn-Zr, Er-Zr
Verrous / besoins : mesures de données thermodynamiques au-delà de 1500°C / détermination des liquidus-solidus en auto-creuset, valeur de ΔfH

LM2T / CEA SACLAY
Personnel impliqué : Christine Guéneau, Stéphane Gossé, Andréa Quaini
Contexte / thématique : Nucléaire / Etude des propriétés du corium formé lors d’un accident grave dans les REP, Combustibles oxydes pour le réacteur SFR refroidi au Na, Détermination des diagrammes de phases, développement de base de données, calculs DFT, modélisations thermodynamiques CALPHAD
Systèmes étudiés : oxyde mixte : U, Pu, Am, Np – O2 (MOx), corium/béton U-O-Zr-Fe-Ca-Si
Verrous / besoins : mesures de données thermodynamiques au-delà de 1500°C / besoin de données sur les oxydes, rien n’existe sur les oxydes liquides (Cp)

2- Présentation des techniques utilisées et/ou envisagées (besoins, verrous à lever, …) et discussion autour des aspects thermodynamiques à ces températures :

Une mise à jour des moyens d’investigation thermodynamique à hautes températures des différents équipes a été réalisée (tableau en annexe).

Les échanges ont permis de mettre à jour plusieurs problématiques communes à la plupart des équipes (voire des verrous), expliquant la pénurie de données thermodynamiques à très hautes températures (> 1700°C) :

-*La réactivité des échantillons d’où découle la problématique du choix du creuset pour les analyseurs classiques
-*La calibration des instruments à très hautes températures
-*Le coût des analyses à très hautes températures : faible durée de vie des cellules différentielles W-Re à 2400°C par exemple
-*Aucun analyseur thermique n’existe au-delà de 2500°C d’où la nécessité de développer de nouveaux moyens de mesures

La réactivité entre les échantillons et les creusets observée à très hautes températures a conduit certains à concevoir des analyseurs thermiques fonctionnant en auto-creuset, la température étant mesurée par pyrométrie. Un projet de conception et de réalisation d’un analyseur thermique simple à très hautes températures est porté par Christine Guéneau et Stéphane Gossé (CEA-Saclay) : chauffage laser, échauffement et trempe rapide sous atmosphère contrôlée : jusqu’à 3000-3300 K (thèse de Andréa Quaini).
Une discussion est engagée sur la difficulté d’obtention d’un financement ANR pour ce type projet (ANR-Blanche 2 fois retoquée). Les interrogations sont nombreuses : sur quel type d’appel à projet est-il possible de financer la conception d’un tel instrument ? Auprès de l’ANR ou d’autres appels à projets ? Une société serait-elle susceptible de commercialiser un tel appareil ? Une demande collégiale de la communauté peut-elle faire sens et augmenter les chances d’obtention d’un financement ?
D’un point de vue technique, peut-on envisager la conception d’un analyseur thermique différentiel par chauffage laser pour la mesure de grandeur thermodynamique ? Il est important de se rapprocher de spécialistes des propriétés optiques des matériaux à hautes températures.

La discussion fait également apparaitre un besoin de transmission de savoir-faire, notamment dans le choix des creusets. Plusieurs essais infructueux ont été réalisés : PuO2 réagit avec les creusets de W, ZrO2, comment utiliser correctement les creusets de BN ? Une réflexion sur les moyens de transmission de ce savoir-faire doit être engagée.

Concernant les questions de métrologie, il a été proposé de se rapprocher du Laboratoire National de Métrologie et d’Essais (ancien LNE, Bruno Hay) pour mener une action de formation ainsi qu’une réflexion sur la calibration à très hautes températures. L’action de formation pourrait prendre différentes formes (à définir) : un séminaire lors de la prochaine réunion du groupe de travail et/ou lors des séminaires annuels du GDR, un module (ou une partie) dans la formation en cours de montage (rentrée septembre 2015). Les questions de calibration à très hautes températures seront mises à l’ordre du jour de la prochaine réunion du groupe en présence d’un membre du LNE. Il a également été proposé de faire des essais benchmark entre les différents labos pour l’ATD.

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