Effet synergique des antioxydants primaire et secondaire dans le matériau XLPE et modélisation cinétique du vieillissement-oxydatif du XLPE

Le polyéthylène réticulé (XLPE) est utilisé pour l’isolation des câbles électriques dans les centrales nucléaires de nouvelle génération en raison de ses bonnes propriétés thermiques, mécaniques et diélectriques. Dans les centrales nucléaires, les câbles électriques, qui sont au nombre d’environ 1500 km par tranche, sont soumis à des conditions d’utilisation pouvant entraîner le vieillissement des isolants. EDF est d’autant plus concerné par la maîtrise du vieillissement de ces composants que certains d’entre eux sont importants pour la sûreté nucléaire, étant donné qu’ils sont appelés à résister à un accident de référence pour maintenir l’alimentation électrique permettant le refroidissement du cœur du réacteur. Le projet européen « TeaM Cables » a visé à mieux comprendre les mécanismes de dégradation des câbles électriques en XLPE et à développer des méthodologies pour la prédiction de leur durée de vie.
Soumis à des contraintes thermiques et radiatives en conditions de service, ces matériaux polymères constitutifs des isolants sont protégés contre les réactions de thermo et radio-oxydation lors de leur formulation par des additifs, notamment des antioxydants primaire et secondaire. Dans le cadre du projet européen « TeaM Cables », le vieillissement d’une série de polyéthylène réticulé (XLPE) avec une complexité de formulation croissante a été étudié afin d'identifier et de modéliser le rôle de chaque ingrédient dans le processus de vieillissement des isolants. Un phénomène d’exsudation et recristallisation de l’antioxydant primaire sur la surface du XLPE a été observé quand le seuil de solubilité de l’antioxydant dans le XLPE est dépassé, ce qui a rendu complexe la modélisation cinétique de la consommation de ces anti-oxydants. Le projet européen « TeaM Cables » permet de prendre en compte l’effet de l’antioxydant secondaire et l’effet des charges ATH dans la modélisation cinétique du vieillissement thermo-oxydation des matériaux XLPE. Il reste à intégrer l’effet des cristaux de l’antioxydant primaire, l’effet synergique entre les antioxydants primaire et secondaire [1][2], et également l’effet des charges ATH sur les antioxydants dans le modèle cinétique d’oxydation du XLPE établi par « TeaM Cables » afin de développer une loi cinétique représentative des matériaux industriels.

Un stage de 6 mois est ainsi proposé pour les objectifs suivants :

- Etudier le vieillissement des matériaux modèles sans (distribution homogène) et avec (distribution hétérogène) les cristaux de l’antioxydant primaire sur la surface des matériaux XLPE. Suivi de la stabilisation de ces matériaux vis-à-vis à l’oxydation (TIO) afin de révéler l’effet des cristaux de l’antioxydant primaire sur l’efficacité du système de stabilisation du XLPE ;

- Préparer une série de matériaux modèles en XLPE avec différentes proportions des antioxydants primaire et secondaire. Vérifier si le seuil de solubilité de l’antioxydant primaire déterminé dans « TeaM Cables » est valable pour les mélanges des antioxydants primaire et secondaire ;

- Comprendre l’effet synergique des antioxydants primaire et secondaire et trouver la relation (équation) avec les proportions des antioxydants primaire et secondaire ;

- Exercice de modélisation du vieillissement thermo-oxydation du XLPE sur un outil numérique interne EDF (sous python) avec des modèles cinétiques déjà déterminés dans le projet européen « TeaM Cables ».

Une thèse poursuivra ce stage pour l’objectif d’intégrer l’effet des cristaux de l’antioxydant primaire, l’effet synergique entre les antioxydants primaire et secondaire, et également l’effet des charges ATH sur les antioxydants dans le modèle cinétique d’oxydation du XLPE afin de prédire la durée de vie des isolants en XLPE industriels et conclure sur l’éventuel effet falaise (chute brutale des propriétés mécaniques).

Le stage aura lieu principalement sur le site R&D d’EDF aux Renardières, et sera accompagné par un fabricant de câbles et l’école nationale supérieure d’Arts et Métiers (ENSAM) à Paris (avec déplacements possibles).

Références :

[1] Wissam Bannouf, « Analyse et modélisation cinétique de la perte physique et de la consommation chimique d’un mélange phénol/HALS au cours du vieillissement radio-thermique d’une matrice EPDM », ENSAM, 2014.

[2] Inès Mkacher, « Vieillissement thermique des gaines PE et PVC decâbles électriques », ENSAM, 2013.

Profil recherché : En dernière année d’école d’ingénieur ou équivalent M2, la personne candidate possèdera de bonnes connaissances en chimie des polymères, modélisation cinétique et techniques de caractérisation des matériaux. Une aisance rédactionnelle et un goût prononcé pour les travaux expérimentaux et la modélisation numérique (python) sont indispensables, ainsi qu’une capacité d’initiative et un intérêt pour la recherche industrielle.

Durée du stage : 6 mois, à partir de février ou mars 2025

Pour postuler : envoyer CV, lettre de motivation et relevés de notes M1/M2 ou Bac+4/Bac+5 à  yan.bian@edf.fr et sarah.chatenet@edf.fr