TOMOGLASS: Tomographie gamma d’émission appliquée à la caractérisation radiologique du reliquat de verre du procédé de vitrification en creuset froid
Le projet TOMOGLASS vise à développer un système de tomographie gamma innovant, capable de fonctionner en environnement de haute activité, pour caractériser en trois dimensions les reliquats de verre issus du procédé de vitrification des déchets nucléaires. L’objectif est de localiser précisément les inclusions de platinoïdes faiblement solubles dans le verre afin d’améliorer la compréhension et le pilotage du procédé. Le système repose sur un imageur gamma compact, intégrant des détecteurs CZT pixellisés à haute résolution, collimaté de type sténopé, et monté sur un bras robotisé. Il permettra une reconstruction multi-isotopique à partir d’algorithmes tomographiques avancés. Ce projet s’inscrit dans la dynamique de modernisation des installations de La Hague et dans la démarche d’intégration des technologies numériques au sein de l’usine du futur.
La première phase du projet consistera à démontrer la faisabilité de la mise en œuvre d’un prototype de spectro-imageur en environnement contraint, en s’appuyant sur des briques technologiques existantes : modules de détection et électronique d’acquisition basés sur la technologie HiSPECT et algorithmes de reconstruction d’images développés au CEA-Leti. Le travail portera sur la réalisation d’une étude multiparamétrique par simulation numérique (code de calcul Monte Carlo), destinée à dimensionner un dispositif de mesure optimisé, puis à générer des jeux de données simulés pour différentes configurations de mesure représentatives. Une fois le concept validé, les travaux se poursuivront en année N+1 avec l’assemblage des composants du prototype et son intégration sur un bras robotisé. Des essais expérimentaux pourront alors être envisagés, en vue d’une démonstration en environnement représentatif.
Recyclage batteries domestiques lithium ion : Développement et compréhension d’un nouveau concept de désactivation
Les batteries lithium ion dites “domestiques” regroupent les batteries des ordinateurs portables, téléphone mobile, outillage portatifs, etc.
Le recyclage d’objets portatifs est actuellement réalisé par pyrométallurgie pour plus de 90% des batteries Li-ion.. Ce type de traitement ne répond plus aux enjeux actuels (environnementaux, stratégiques, législatif et sociétaux), mais reste très efficace pour mettre en sécurité les batteries domestiques par explosion dans un four. Il est aujourd’hui nécessaire et primordial de développer des nouveaux concepts de désactivation pour ce type de batteries
La désactivation est la 1ere étape du procédé de recyclage et vise à enlever toute énergie résiduelle de la batterie. Ce procédé doit être continu, sécuritaire, simple, controlable et pas cher.
Nous proposons d’étudier un nouveau concept de deactivation électrochimique (brevet en cours de redaction). L’objectif est de developer et comprendre les mécanismes électrochimiques mis en jeu dans ce nouveau concept de désactivation.
Développement d’un microsystème d’électrophorèse capillaire automatisé couplé à un ICP-MS pour l’analyse isotopique et élémentaire
La détermination juste et précise des compositions isotopiques et des concentrations d’éléments par spectrométrie de masse est majeure dans de nombreux domaines de recherche dont les géosciences, l’environnement, le nucléaire ou encore la biologie. Afin d’obtenir des incertitudes de mesures les plus faibles possible, il est nécessaire de réaliser des séparations chimiques en amont de la mesure pour s’affranchir des interférences spectrales ou non spectrales. Dans la majorité des cas ces séparations sont réalisées par chromatographie en phase liquide à l’échelle conventionnelle, et analysés hors ligne par spectrométrie de masse. Les techniques de séparation électrocinétiques sont d’un intérêt majeur en raison des très faibles volumes d’échantillons engagés et des très faibles volumes de déchets générés.
L’objectif de ce projet post doctoral est la transposition des séparations électrophorétiques en capillaire dans un microsystème séparatif, basé sur la technologie microfluidique. Ce microsystème séparatif sera dédié à la séparation d’éléments et devra être couplé à un MC-ICP-MS sans dégrader la séparation. L’atout majeur de ce microsystème sera de disposer d’un dispositif automatisé et ainsi d’augmenter la cadence d’analyse des échantillons tout en conservant les mêmes performances analytiques. Dans le cas d’échantillon nucléaires un autre avantage sera de limiter les débits de doses et les déchets générés lors des procédures d’analyse d’échantillons radioactifs.
Compréhension et modélisation des propriétés thermodynamiques et cinétiques du combustible MOX dans les réacteurs du futur
Cette étude s’inscrit dans le cadre des projets de Réacteur à Neutrons Rapides à caloporteur sodium. Le dioxyde d’uranium et de plutonium (U,Pu)O2, appelé MOX, est le combustible de référence. En fonctionnement, les pastilles de combustible sont soumises à un fort gradient thermique qui induit des phénomènes de transport, de thermo-diffusion et de vaporisation, couplés à des effets d’irradiation. Les codes de performance des combustibles sont développés pour simuler le comportement des aiguilles de combustible en condition nominale et incidentelle, jusqu’à la fusion.
L’objectif de cette étude est d’améliorer le modèle thermocinétique du MOX utilisé dans ces codes. Ce modèle repose sur la description du système U-Pu-O avec la méthode CALPHAD, couplée à une base de données de mobilités des éléments, développée avec le logiciel DICTRA. La description des défauts sera étendue avec l’introduction des lacunes métalliques et de clusters d’oxygène. La description des données thermodynamiques (potentiel d’oxygène et capacité thermique) et du diagramme de phase sera également améliorée en prenant en compte les données les plus récentes. Enfin, la base de données de mobilité, couplée au modèle Calphad, sera améliorée pour mieux décrire la diffusion dans le MOX. Les nouvelles données expérimentales mais aussi les données calculées par des méthodes de calcul à l’échelle atomique (dynamique moléculaire, ab-initio) seront utilisées.
Cycles thermodynamiques moteurs utilisant un fluide moléculairement complexe pour l’efficacité énergétique et les énergies bas-carbone
Dans un contexte de recherche d’efficacité énergétique et de valorisation de sources de chaleur bas carbone, notre équipe étudie différentes voies d’optimisation des cycles thermodynamiques [1, 2]. La présente étude se concentre sur l’utilisation de fluides organiques moléculairement complexes, non-fluorés, non-destructeurs de la couche d’ozone, à faible pouvoir réchauffant et stables à haute température [3, 4].
Vous serez impliqué(e) dans la conception d’un cycle de Rankine permettant d’utiliser au mieux les propriétés de tels fluides (détente quasi isotherme). De manière plus détaillée les missions qui vous seront confiées sont :
• Mise en place d’une méthodologie de sélection des architectures et des fluides
• Modélisation des architectures des cycles thermodynamiques avec l’outil EES. Il sera notamment demandé de comparer les nouveaux cycles établis avec les cycles de référence.
• Dimensionnement des échangeurs de chaleur (outil ECHTHERM) et des turbomachines.
• Définition et mise en œuvre d’un banc expérimental de petite puissance
• Validation des performances par rapport aux résultats expérimentaux et à des données bibliographiques
• Cas d’applications industriel (passage à l’échelle 1), optimisation
• Veille sur les fluides organiques
Un effort particulier sur les publications et les communications scientifiques est demandé.
[1] : https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119418
[2] : https://doi.org/10.3390/en15207559
[3] : https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.118321
[4] : https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.116852
Développement d'une architecture d'instrumentation innovante utilisant un réseau de capteurs magnéto-résistifs pour créer un système de tomographie rapide pour les piles à combustible
Développement d'une architecture d'instrumentation innovante utilisant un réseau de capteurs magnéto résistifs pour créer un système de tomographie rapide pour les piles à combustible.
L'objectif est de développer un démonstrateur TRL 4 en laboratoire pour prouver le concept sur une pile à combustible à basse température. Cela inclura quatre cartes de mesure avec plusieurs dizaines de capteurs magnétiques synchronisés pour des acquisitions simultanées. Les résultats expérimentaux et une description du système d'instrumentation seront publiés. Les données historiques seront utilisées pour valider les algorithmes de résolution de densité de courant et comparer leurs performances à celles des solutions basées sur des réseaux de neurones informés par la physique. Les résultats estimés de densité de courant seront utilisés pour une publication supplémentaire.
Le système d'instrumentation sera intégré dans un banc d'essai du CEA dédié au contrôle optimal, à l'observation des transitoires, à la détection de défauts et à l'exploration des phénomènes de propagation de défauts. Cette approche offrira une observation dynamique et non invasive de la distribution du courant dans la pile à combustible, améliorant ainsi la compréhension de son fonctionnement et facilitant l'optimisation de ses performances et de sa durée de vie.
Optimisation de la durabilité d’alliages métalliques à haute température : exploration de nouvelles conditions d’oxydation
Le projet exploratoire OPTIMIST a pour objectif d’augmenter la durée de vie des alliages métalliques (alumino- et chromino-formeurs) par formation d’une couche d’oxyde protectrice comme cela est quasiment toujours le cas pour protéger la corrosion des alliages. La grande originalité d’OPTIMIST consistera à former une couche d’oxyde possédant un minimum de défauts structuraux 0D (défauts ponctuels) et 2D (joints de grains). Cet objectif reposera sur deux stratégies distinctes : la première consistera à former une couche d’oxyde dite endogène, c’est-à-dire par pré-oxydation du substrat en choisissant minutieusement les conditions de pré-oxydation (température, milieu oxydant, pression partielle en oxygène) dans deux types de Rhines Pack spécifiquement développés au CEA/DES et à l’IJL, la seconde consistera à former une couche d’oxyde dite exogène, c’est-à-dire créée par une technique de dépôt : le HiPIMS récemment mis en service au CEA/INSTN. Différentes conditions de pré-oxydation (pour la couche endogène) et de procédé (pour la couche exogène) seront investiguées puis leurs défauts 0D et 2D seront caractérisés au SIMaP par un couplage inédit de techniques de pointe tant structurale (TEM-ASTAR) que chimique (sonde atomique, SIMS, nano-SIMS) et électronique (photoélectrochimie PEC). Enfin ces échantillons caractérisés seront corrodés dans deux milieux (sous air et en milieux sels fondus) à hautes températures (600°C pour les sels au CEA/DES, et 800 et 1000°C pour l’air à l’IJL et au SIMaP) pour juger de l’efficacité de la protection par rapport à une pré-oxydation usuelle. Les étapes de croissance de l’oxyde, sa stœchiométrie et sa microstructure (taille et forme des grains, nature des joints de grains) seront ainsi identifiées en fonction des conditions de croissances endo et exogènes de sorte à les maîtriser pour parvenir à une couche d’oxyde contenant le moins de défauts possible.
TOMOGLASS: Tomographie gamma d’émission appliquée à la caractérisation radiologique du reliquat de verre du procédé de vitrification en creuset froid
Le projet TOMOGLASS vise à développer un système de tomographie gamma innovant, capable de fonctionner en environnement de Haute Activité, pour caractériser en 3D les reliquats de verre issus du procédé de vitrification des déchets nucléaires. L’objectif est de localiser précisément les inclusions de platinoïdes faiblement solubles dans le verre, afin d’améliorer la compréhension et le pilotage du procédé. Le système repose sur un imageur gamma compact intégrant des détecteurs CZT pixellisés à haute résolution, collimaté (type sténopé) et monté sur bras robotisé. Il permettra une reconstruction multi-isotope à partir d’algorithmes tomographiques avancés. Ce projet s’inscrit dans la perspective de modernisation des installations de La Hague et de l’intégration de technologies numériques dans l’usine du futur.
Modélisation de la sédimentation et de la coalescence des gouttes dans les mélangeurs-décanteurs pour l’extraction liquide–liquid
La transition énergétique vers des technologies bas carbone (batteries Li-ion, photovoltaïque, éolien) dépend de matériaux critiques comme les terres rares (Dy, Nd, Pr) et certains métaux (Co, Ni, Li). Leur extraction pose des problèmes environnementaux, et leur recyclage reste limité du fait de leur faible concentration dans des déchets complexes, rendant leur séparation difficile. L’extraction liquide-liquide s’impose comme une méthode efficace pour purifier ces mélanges, mais son industrialisation est freinée par une compréhension partielle des phénomènes physico-chimiques impliqués, notamment dans les mélangeurs-décanteurs. Ces équipements, alliant chambre de mélange et zone de décantation, sont prisés pour leur compacité et leur rendement énergétique. Toutefois, les modèles actuels restent semi-empiriques, centrés sur la phase de mélange, et donc insuffisants pour prédire le comportement à grande échelle. Dans ce contexte, le programme national PEPR « Recyclabilité et réutilisation des matériaux » soutient une initiative du CEA visant à développer un jumeau numérique de ces dispositifs. Le postdoctorat proposé s’intègre à ce projet et porte sur la modélisation du décanteur. Le candidat mènera des expériences sur des émulsions bien caractérisées, injectées dans une maquette dédiée pour étudier leur sédimentation et l’évolution de la taille des gouttes. Ces données expérimentales serviront à valider un modèle décrivant le transport gravitaire et hydrodynamique des gouttelettes, ainsi que les phénomènes de coalescence et de rupture. Ce modèle sera ensuite couplé à celui de la chambre de mélange déjà en cours de développement, en vue d’obtenir un premier jumeau numérique.
Synthèse de Carbon Dots par voie solvothermal pour des applications optoélectroniques
Les Carbon dots (C-dots) sont des particules de taille nanométrique de carbone qui présentent des propriétés électroniques, optiques et chimiques uniques en raison de leur propriété physico-chimique exceptionnelle. Ces matériaux de petite taille et de rapport surface/volume élevé sont des semi-conducteurs capables de luminescer sous irradiation ce qui permet d’envisager leur utilisation pour la détection de rayonnement ionisant. Les scintillateurs plastiques classiques reposent sur des transferts d’énergie de l’ultraviolet pour aboutir à une émission dans le visible via des fluorophores organiques. La capacité des CDs à absorber des photons dans le domaine de l’ultraviolet et d’émettre dans le domaine du visible permet d’envisager qu’ils puissent potentiellement se substituer partiellement ou totalement aux fluorophores organiques dans leur rôle de pont entre l’ultraviolet et le visible. A faible coût de production, Ils peuvent être synthétisés soit par synthèse organique conventionnelle par étapes, soit, plus rapidement, par des approches descendantes ou ascendantes en une seule étape à partir de divers produits chimiques. Dans ce contexte, nous avons récemment développé une voie de synthèse intéressante permettant de préparer des C-dots émettant dans différentes longueurs d'onde pour couvrir ainsi toute la gamme du visible.