Analyse du potentiel des petits réacteurs modulaires dans les systèmes énergétiques locaux bas-carbone
Les petits réacteurs modulaires (SMR) offrent la possibilité de relever divers défis énergétiques et environnementaux, au-delà de la simple production d'électricité. À l'échelle locale ou régionale, les SMR peuvent être pleinement intégrés à des systèmes énergétiques hybrides innovants, incluant les énergies renouvelables variables et l'énergie nucléaire, sous forme d'électricité, de chaleur, d'hydrogène, de systèmes de stockage d'énergie, de réseaux de chaleur et de réseaux électriques. Ces systèmes intégrés sont actuellement en cours de développement. Le projet Euratom TANDEM, coordonné par le CEA, a développé entre 2022 et 2025 des outils et des méthodologies pour étudier l'intégration des SMR au sein de systèmes énergétiques hybrides et les a mis en œuvre dans des cas d'usage illustratifs.
L'institut de recherche et développement IRESNE du CEA Cadarache propose de poursuivre les travaux initiés dans le cadre du projet TANDEM sous la forme d'un postdoctorat portant sur l'analyse de cas d'usage plus complexes. Le postdoctorant participera à une collaboration internationale visant à définir un cas d'usage fondé sur des projections de besoins énergétiques d'un grand port d'Europe de l'Est et à proposer des systèmes énergétiques bas carbone intégrant des SMR. À cette fin, ces systèmes seront conçus par une approche d’optimisation technico-économique, tenant compte de l’impact environnemental, à l'aide du logiciel Cairn développé par le CEA. Leurs performances seront ensuite évaluées grâce à des simulateurs développés avec la bibliothèque TANDEM, basée sur Modelica.
Pour les besoins propres au CEA, le postdoctorant pourra également travailler à la définition et à l'analyse d'autres cas d'usage pertinents, tels que l'approvisionnement énergétique d'une île des territoires français d'outre-mer.
Ce travail sera mené en collaboration entre les concepteurs de systèmes énergétiques bas carbone de l'IRESNE et les développeurs de Cairn de l'institut CEA/LITEN.
Perméation d’hydrogène dans les métaux
Dans le cadre du développement de la filière hydrogène, la compréhension des interaction entre l'hydrogène et les matériaux constitue un enjeu clef.
Lorsque l'hydrogène entre en contact avec des matériaux métallique, il peut être dissout dans la matrice et y diffuser, ce phénomène est nommé perméation.
Les mesures de perméation d'hydrogène dans les métaux sont développées au CEA de Grenoble depuis plus de 20 ans.
L'objectif de ce projet de post-doctorat est de d'étudier ces phénomènes de perméation lorsque l'hydrogène est introduit à haute pression, et lorsque des polluants sont présents dans l'hydrogène.
Le projet débutera par la conception et la mise en place d'un nouveau banc de perméation, qui devra permettre de réaliser des essais à haute pression et de contrôler finement des niveaux d'impuretés dans l'hydrogène.
Par la suite, l'étude portera sur l'effet de la pression et des impuretés sur la perméation d'hydrogène dans des aciers ferrito-perlitiques, au moyen du banc d'essai préalablement développé.
Prototypage et caractérisation électrochimique de batteries tout-solide
Titulaire d’un doctorat en électrochimie, science des matériaux, chimie ou génie des procédés, le/la post-doctorant(e) contribuera, en étroite collaboration avec les partenaires du projet, au développement de procédés de fabrication et au prototypage de cellules de batteries tout-solide de 4? génération (Li/NMC riche en Ni) et de 5? génération (Li/Soufre).
Les travaux porteront sur la mise en forme des électrodes et l’assemblage de cellules tout-solide, en s’appuyant sur des procédés tels que l’enduction, l’extrusion, ainsi que des voies alternatives incluant l’impression 3D. Les procédés seront optimisés afin de réaliser des cellules prototypes (pile bouton et format sachet souple), de capacité allant jusqu’à 1 Ah, intégrant des interfaces optimisées. Ces cellules seront ensuite testées électrochimiquement afin d’évaluer leurs performances (capacité spécifique, efficacité coulombique, stabilité au cyclage).
La majorité des travaux expérimentaux sera réalisée en environnement contrôlé (salle anhydre), avec des étapes régulières de caractérisation des électrodes et des cellules développées. Les missions principales seront :
- Contribuer à la définition des plans d’essais à partir des données internes et de l’état de l’art,
- Développer et optimiser les procédés de fabrication d’électrodes et de cellules tout-solide,
- Réaliser et tester des cellules prototypes Gen4b et Gen5,
- Evaluer les performances électrochimiques et analyser les résultats obtenus,
- Mettre en forme et présenter les résultats de manière claire et synthétique,
- Proposer des axes d’amélioration, contribuer au bon fonctionnement du laboratoire, respecter les règles de sécurité et de qualité,
- Valoriser les travaux de recherche par des publications, communications scientifiques et dépôts de brevets.
Modélisation globale des systèmes électriques sous contraintes de limites planétaires et sociales
Le projet EQUALS (EQUitable Allocation of Low-carbon Electricity Sources in a Changing and Resource-limited World) aborde le défi de la transition des énergies fossiles vers des énergies bas-carbone, sous contrainte des limites planétaires et sociales. Si l’électrification rapide des usages est un levier majeur face au changement climatique, elle se heurte à la disponibilité limitée des ressources naturelles, aux budgets carbone et aux spécificités territoriales. EQUALS évalue la faisabilité de satisfaire les besoins énergétiques mondiaux au sein de ces limites, en traitant l'énergie comme un commun.
Basé au CEA Liten à Grenoble, ce postdoctorat de 18 mois pose les bases méthodologiques du projet. La mission se concentre sur la génération de séries temporelles horaires de demande d’électricité à l’échelle nationale. Ce travail implique la reconstruction de profils de consommation intégrant la thermosensibilité (chauffage et froid), les trajectoires socio-économiques de développement et l’électrification des usages finaux. En parallèle, des profils de production EnRi (renouvelable intermittente) seront générés pour quantifier la disponibilité des ressources à travers le monde.
Ces données alimenteront un modèle d'optimisation global afin d'identifier des trajectoires de transition minimisant le recours aux énergies fossiles, dans le respect des planchers sociaux et des plafonds planétaires. Le ou la candidat.e intégrera l'équipe interdisciplinaire EQUALS et collaborera avec un réseau d'experts en modélisation, géographie, écologie industrielle et climat. Ce poste offre un cadre de recherche stimulant au sein de l'écosystème grenoblois, faisant le pont entre l'ingénierie technique et les sciences de la durabilité.
Estimations a posteriori pour la discrétisation par éléments finis mixtes d'un problème aux valeurs propres de diffusion multigroupe
Ce stage postdoctoral est proposé sur le thème des estimations a posteriori
pour la discrétisation par éléments finis mixtes du problème critique de diffusion
multigroupe. L’objectif est de développer des estimations a posteriori efficaces
et fiables pour un problème critique de diffusion multigroupe avec de fortes
hétérogénéités spatiales, c’est-à-dire un modèle où les paramètres, typiquement
les coefficients des équations, varient rapidement dans l’espace. Mathématiquement parlant, le problème critique est un problème de valeurs propres généralisées non symétrique.
À l’échelle du coeur du réacteur, l’utilisation de modèles simplifiés est courante
dans l’industrie nucléaire. Précisément, les modèles simplifiés peuvent être le
modèle de diffusion des neutrons ou le modèle de transport simplifié. Nous avons construit
des estimations d’erreur a posteriori rigoureuses pour les discrétisations par éléments finis mixtes du problème à source de diffusion des
neutrons, et avons proposé une stratégie de raffinement de maillage adaptatif qui
préserve la structure Cartésienne. Une première application de cette approche
au problème critique a été réalisée. Concernant le contexte industriel et plus spécifiquement les
simulations numériques, notre approche fait partie du développement d’un solveur
par éléments finis mixtes appelé MINOS dans le code APOLLO3. Des
extensions supplémentaires des estimations a posteriori ont été étudiées, telles
que le problème à source de diffusion multigroupe et une méthode de décomposition de domaine appelée méthode DD+L2 jumps. Les approches
listées sont basées sur la formulation d’un problème à source. L’objectif est
d’étendre l’approche a posteriori à un problème de valeurs propres généralisées
non symétrique.
Etude d'un système de stockage K-ion bas coût : Electrolyte, Sécurité et prototypage
Le projet UPBEAT (France 2030) vise à développer une technologie potassium-ion bas coût et exempte de matériaux critiques et capable de fournir les performances de cellules Li-ion de type LiFePO4. Le travail proposé au post-doctorant s'inscrit dans cette optique : il consistera à développer des électrolytes liquides organiques optimisés pour ce nouveau système (Blanc de Prusse vs. Graphite), en étudiant les sels, les solvants et les additifs les plus prometteurs, tout en conservant les objectifs de coût et de durabilité. Les solutions proposées (avec et sans fluor) seront formulées, caractérisées et testées électrochimiquement dans des cellules complètes (piles boutons et sachets souples incluant une optimisation des composants) pour mesurer, entre autres, leurs efficacités sur la durée de vie et les réponses en puissance. La compréhension des effets des différents composants sera amenée par des mesures operando et des caractérisations post-mortem. Les systèmes qui répondront le mieux aux exigences du projet feront également l'objet d'essais abusifs permettant de juger de la sécurité du système final.
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.
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.
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.
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.