Développement d’un procédé de récupération des chlorures par précipitation – Application aux réacteurs à sels fondus
Les réacteurs à sels fondus (RSF) représentent une option innovante pour une énergie nucléaire plus durable et sûre.
Ils utilisent des sels chlorures liquides contenant des actinides, permettant de fermer le cycle du combustible.
Au cours de leur fonctionnement, ces sels s’enrichissent en produits de fission et impuretés, nécessitant un traitement chimique.
L’enrichissement en chlore ³7Cl vise à limiter la formation du ³6Cl, isotope radioactif à très longue période.
La maîtrise et le recyclage des ions chlorure constituent donc un enjeu majeur.
Le CEA développe un procédé hydrométallurgique de précipitation pour récupérer le chlore enrichi sous forme solide.
Ce procédé est compatible avec les installations industrielles de La Hague, en partenariat avec Orano.
La recherche étudie l’influence des actinides et produits de fission sur la précipitation et leur rétention dans le solide.
La solubilité et la pureté du précipité sont analysées par diverses techniques physico-chimiques.
Des protocoles de purification sont optimisés en cas de contamination.
Une fois purifié, le précipité est recyclé pour produire du chlore réutilisable, notamment par électrolyse ou réactions rédox.
Ce travail s’inscrit dans le développement de réacteurs innovants et bénéficie d’un fort soutien scientifique et industriel.
Caractérisation de la saturation en fluide au sein d’une cellule d’électrolyse à membrane échangeuse d'anions
L’électrolyse à membrane échangeuse d’anions (AEMWE) est une technologie prometteuse pour la production d’hydrogène vert qui est un pilier pour la transition énergétique. Les dispositifs d’AEMWE peuvent fonctionner même si seule l'anode est alimentée en électrolyte. La réaction cathodique est maintenue du fait de la diffusion de l'électrolyte à travers la membrane depuis l’anode. Cette approche, appelée « cathode sèche », permet de réduire la contamination de l'hydrogène produit, et faciliter sa récupération et son stockage à haute pression. Cependant, ce mode de fonctionnement pose des défis majeurs en termes de gestion de l’eau et des gaz et de stabilité des performances, notamment à haute densité de courant (> 1 A cm?²). Dans ce projet, des assemblages membrane électrodes d’AEMWE seront fabriqués et caractérisés. Leurs propriétés électrochimiques seront quantifiées par des tests en cellule de 2 cm². Des analyses structurales (SAXS, DVS) et physico-chimiques (porosité, sorption d’eau) seront menées sur des membranes et des électrodes d’AEMWE. Afin dans de quantifier la distribution de l’eau dans un électrolyseur AEM en fonctionnement en mode « cathode sèche », des expériences d’imagerie neutronique operando corrélées à des mesures électrochimiques seront réalisées. Pour ce faire, une mono-cellule dédiée devra être conçue.
Développement de méthodes d’analyses isotopiques et élémentaires sur combustible irradié pour la réduction des quantités de matière.
L’objectif de ce sujet post-doctoral est de mettre au point des méthodes d’analyse pour la réduction globale des quantités de matières associées aux analyses isotopiques multi-élémentaires (actinides et PF) de haute précision de combustibles nucléaires irradiés, notamment par l’utilisation de nouvelles méthodes d’introduction « faibles quantités » sur ICPMS multi collecteur. Ces développements permettront notamment de réduire les quantités de déchets radioactifs (consommables et effluents), le débit de dose et le temps d’exposition analystes/échantillons radioactifs associés à ce type d’analyses.
Pour mener à bien ce projet, le(a) candidat(e) réalisera des développements analytiques en zone contrôlée pour réduire au maximum les quantités d’éléments requis pour analyse tout en maintenant ou en améliorant les niveaux d’incertitudes par comparaison aux méthodes actuellement disponibles.
Modélisation et analyse de scénarios prospectifs pour l'hydrogène en France et en Allemagne H/F
L’utilisation de l’hydrogène produit par électrolyse, ainsi que de ses dérivés (comme le méthanol synthétique et le kérosène synthétique), fait partie des solutions envisagées pour décarboner certains secteurs, tels que l’industrie sidérurgique, le transport maritime et aérien. Le développement d’un réseau européen de transport de l’hydrogène est prévu pour soutenir la production, l’accès aux infrastructures de stockage, les échanges entre les régions à fort potentiel renouvelable et les pôles industriels, ainsi que pour limiter certains coûts de renforcement des réseaux électriques.
Le sujet de post doc proposé relève du cadre du projet de recherche franco-allemand CrossHy qui se concentre sur l’analyse des trajectoires possibles de déploiement des infrastructures de transport d’hydrogène en France et en Allemagne. Le travail s’appuiera sur deux outils de modélisation complémentaires (REMix, ANTARES) pour optimiser le développement et l’exploitation des infrastructures hydrogène à l’échelle européenne. Le projet implique des échanges réguliers entre les équipes de recherche françaises et allemandes.
Développement de catalyseurs pour les cellules électrochimiques haute température appliqués à la synthèse d’ammoniac
Le projet vise à développer de nouveaux catalyseurs et électrodes pour la synthèse électrochimique d’ammoniac (NH3) à haute température (400–650 °C), en utilisant des cellules à oxyde solide (SOEC) et protoniques (PCEC). L’ammoniac est un produit clé pour l’industrie des engrais, un carburant prometteur et un vecteur de stockage d’hydrogène. Contrairement au procédé Haber-Bosch très énergivore et carboné, la voie électrochimique permet une production plus durable, avec zéro émission de CO2 si l’électricité est décarbonée. Le post-doctorant participera à l’identification et à la mise en forme de catalyseurs (ex. Ru/YSZ, Fe/YSZ, Mn4N/BCZY), à leur intégration dans des électrodes, et à l’évaluation des performances électrochimiques. Le travail associe catalyse, électrochimie, caractérisation avancée et modélisation énergétique, en collaboration avec des équipes CEA et partenaires académiques.
Méthode analytique miniaturisée dédiée au criblage de molécules candidates pour la capture et l’élimination de radionucléides
Ce projet vise à développer un dispositif miniaturisé multiplexe, dédié au criblage du pouvoir chélatant de molécules potentielles pour la décorporation de certains radionucléides (RN) issus de l’industrie électronucléaire, pour lesquels les traitements actuels ne sont pas satisfaisants. L’objectif est d'accélérer l'identification des molécules chélatantes les plus prometteuses, tout en bénéficiant des gains liés à la miniaturisation comme la consommation de très faibles quantités de molécules et de RN. Lors d'un projet précédent, un monolithe phosphaté de différentes longueurs a été greffé in-situ et caractérisé dans des capillaires de 100 µm de diamètre interne. Les quantités d’UO22+, Zr4+, Sr2+, Co2+, Cs+ et Ag+ immobilisés sur ces phases monolithiques ont été mesurées en ligne par couplage avec l'ICP-MS. Sur la base de ces acquis, le/la candidat.e sera en charge de développer et valider la méthode miniaturisée de criblage avec l’UO22+, pour lequel des données et des molécules chélatantes sont disponibles, d'étendre l’approche prioritairement à Zr4+, Sr2+, Co2+, fabriquer le dispositif microfluidique intégrant les micro-canaux parallèles pour à terme cribler des molécules candidates envers des RN distincts dans un microsystème fluidique unique.
Condensation d'air humide lors de l'accident de rupture de vide d'isolement sur un réservoir de LH2 (projet CHALIA)
L'hydrogène liquide devient de plus en plus le vecteur énergétique clé pour la décarbonisation industrielle dans le domaine de la mobilité lourde. Il est stocké à 20 K dans un réservoir à double paroi avec un vide isolant. Toute atteinte à l'intégrité de la paroi extérieure permettra à l'air chaud de pénétrer dans le vide isolant. L'azote, l'oxygène et la vapeur d'eau se condenseront, voire se désublimeront, sur la paroi froide du réservoir intérieur, transférant ainsi de la chaleur au cryogène, qui commencera à bouillir. Cette ébullition provoque une augmentation de la pression, entraînant l'ouverture des soupapes de sécurité afin d'éviter la rupture du réservoir. Afin de mieux comprendre ces phénomènes complexes, le CEA, le Centre de recherche collaborative Fenex et l'Université d'Australie occidentale ont soumis le projet CHALIA au Centre franco-australien pour la transition énergétique. Ce projet a été approuvé en octobre. Le poste de post-doctorant proposé par le CEA consiste à mettre en place une expérience analytique à l'aide d'un cryostat en verre existant afin d'étudier en détail les différents phénomènes et de mesurer les flux thermiques transmis au cryogène pendant les différentes phases de l'accident. Une approche progressive est proposée, commençant par l'entrée d'azote avant de passer à un mélange binaire (air synthétique) ou à un mélange ternaire (air humide). Le projet vise également à identifier et à quantifier les phases impliquées dans le processus à l'aide de diverses méthodes optiques. Les travaux seront menés en étroite collaboration avec des chercheurs de l'Université d'Australie occidentale, qui se concentreront sur la mise à l'échelle des résultats.
Etude thermodynamique de matériaux photoactifs pour les cellules solaires
Le développement de la production d'énergie électrique par la voie solaire photovoltaïque nécessite la mise au point de nouveaux matériaux pour la conversion du rayonnement solaire en paires électrons-trous. Les pérovskites hybrides organiques-inorganiques (HOIP), de type CsPbI3 avec des substitutions notamment de Cs par des ions formamidinium (FA) et/ou méthylammonium (MA) sont apparues comme des matériaux très prometteurs en termes de performances et de fabrication. Les substitutions de Cs par des éléments comme Rb, de Pb par Sn et I par Br sont également évoquées pour améliorer la stabilité ou les performances. La synthèse et l’optimisation de la composition de couches de tels matériaux nécessitent une meilleure connaissance de leurs propriétés thermodynamiques d'équilibre et de leur stabilité. L'objectif est de construire un modèle thermodynamique du système Cs-Rb-FA-Pb-Sn-I-Br. Le projet a débuté par le ternaire Cs-Pb-I qui a donné lieu à un article [1]. L'étape suivante portera sur le système ternaire Cs-Pb-Br puis sur le quaternaire Cs-Pb-I-Br. La démarche utilise la méthode CALPHAD, centrée sur la construction d'une base de données et d'une formulation analytique de l’énergie de Gibbs des phases, capable de reproduire les données thermodynamiques et de diagramme de phase. Une revue critique des données de la littérature permet d'initialiser cette base de données et d’évaluer les données manquantes qui sont ensuite acquises par des expériences et par des calculs de DFT.
Application de la microfluidique à la séparation d'actinides dans des échantillons nucléaires par chromatographie
L'objectif de ce contrat post-doctoral est le développement d'une méthode de séparation chromatographique des produits de fission, de l'uranium et du plutonium contenus dans des échantillons nucléaires avec un volume de résine réduit d'un facteur 10 au moins. Le travail se concentrera autour de trois axes de recherche.
Le premier axe consistera à optimiser la méthode de séparation miniaturisée. L'influence de la méthode de remplissage du système, de la pression appliquée lors de la séparation et de la composition des éluants sera étudiée en comparant les chromatogrammes obtenus et en calculant les facteurs de décontamination associés. Ces développements seront effectués sur des échantillons simulés puis contenant du plutonium. La maîtrise de l'étape d'ajustement de l'état d'oxydation du plutonium sera ainsi nécessaire pour maximiser les facteurs de décontamination. Un second axe de développement se focalisera sur la conception d'un système simple à utiliser pour l'opérateur et minimisant les étapes de manipulation en boîte à gants afin de diminuer l'exposition aux rayonnements ionisants. L'expérience du laboratoire en conception de montages expérimentaux miniaturisés et en micro-fabrication sera ainsi mise à profit. Le dernier axe de développement consistera à appliquer les développements des deux premiers axes à la détermination de la composition isotopique d'échantillons nucléaires par TIMS ou MC-ICP-MS en zone contrôlée radiologiquement avec des incertitudes de l'ordre du pour-mille.
Algorithmes robustes de continuation pour la simulation par éléments finis de la fissuration dans des milieux hétérogènes complexes : application aux structures en béton armé
Les procédures de "path-following" (ou de continuation) sont utilisées pour décrire les réponses instables de structures présentant des phénomènes de snap-back ou snap-through. Ces méthodes consistent à adapter la charge externe au cours de la déformation afin de satisfaire une contrainte de pilotage, en introduisant une inconnue supplémentaire, le multiplicateur de charge. Plusieurs variantes existent selon la grandeur pilotée : combinaisons de degrés de liberté, mesures de déformation ou variables liées à la dissipation d’énergie.
En plus du suivi de réponses instables, un intérêt majeur de ces approches réside dans l’amélioration de la convergence des solveurs incrémentaux de type Newton, en réduisant le nombre d’itérations nécessaires. Ce gain compense souvent le coût supplémentaire lié à l’algorithme de continuation. Certaines formulations se sont révélées efficaces et simples à implémenter.
Cependant, aucun critère objectif ne permet encore de choisir la plus adaptée à la simulation de structures en béton armé, où coexistent plusieurs mécanismes de dissipation et une forte variabilité spatiale des propriétés du matériau.
Le travail postdoctoral proposé visera à développer des algorithmes de "path-following" robustes pour ces structures, à partir des recherches antérieures menées au CEA. Il comprendra une analyse critique des formulations existantes, une évaluation de leurs performances (solveurs monolithiques ou partitionnés), puis leur implémentation. Enfin, des cas tests représentatifs de structures industrielles seront simulés afin d’évaluer le gain en robustesse et en coût de calcul par rapport aux solveurs classiques.