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.
Criblage haut-débit de matériaux semi-conducteurs par PVD
Les pérovskites d'halogénure de plomb constituent une classe de matériaux semiconducteurs émergente qui démontre d’un fort potentiel applicatif pour le photovoltaïque. Malgré leurs performances prometteuses, les craintes liées au rejet de plomb toxique dans l'environnement restent un frein majeur au développement à grande échelle de cette technologie.
Ce projet de 24 mois vise à optimiser le procédé de croissance de couches minces de doubles pérovskites sans plomb par PVD (Physical Vapor Deposition) pour une application en photovoltaïque. Une approche à haut-débit sera mise en place pour cette étude, à la fois au niveau du procédé de croissance que de la caractérisation des couches.
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.
Nouveaux alliages concentrés (HEA/CCA) pour des applications nucléaires : Résistance à la corrosion en sel fondu et à l’irradiation
Ce post-doctorat s’inscrit dans le cadre du programme national PEPR DIADEM, projet DIAMS (Métallurgie Numérique), dont l’objectif est d’accélérer la découverte de nouveaux matériaux en associant conception numérique et évaluation expérimentale. Les travaux portent sur le développement de matériaux destinés aux futurs réacteurs à sels fondus (MSR), dont le développement dépend fortement de la mise au point d’alliages capables de résister simultanément à la corrosion en sels fondus et à l’irradiation. Dans ce contexte, certaines familles d’alliages concentrés HEA-CCA (High Entropy Alloys ou Complex Concentrated Alloys) se distinguent par des performances supérieures à celles des matériaux conventionnels, notamment les aciers inoxydables austénitiques, en particulier vis-à-vis de la corrosion en sels fondus et des effets de l’irradiation.
Le ou la post-doctorant(e) interviendra en aval d’un projet de conception numérique d’alliages HEA-CCA mené à l’IMN (Nantes). Ce projet a permis d’identifier plusieurs compositions prometteuses, élaborées ensuite par métallurgie conventionnelle, puis caractérisées pour leur résistance à la corrosion en sels fondus et à l’irradiation aux ions sur la plateforme JANNuS Saclay. Jusqu’à présent, les essais ont été réalisés de façon séquentielle.
Dans le cadre du post-doc, un dispositif unique de corrosion in situ en sels fondus, nommé JANNuSel, sera opérationnel sur la plateforme JANNuS Saclay début 2026. Il permettra de tester le comportement sous corrosion et irradiation simultanées à la fois des alliages précédemment optimisés et élaborés par métallurgie conventionnelle, mais également d’alliages complémentaires élaborés par fabrication additive sur la plateforme SAMANTA.
Le poste est basé au CEA Saclay, au sein d’un environnement scientifique particulièrement riche. Le ou la post-doctorant(e) travaillera en interaction étroite avec l’IMN et les Mines Saint-Étienne.
Calcul HPC Adapté à la Logique Event-based pour le Transport
La méthode Monte Carlo est employée en physique des réacteurs pour obtenir des distributions de flux dites de référence. Le code TRIPOLI-5, actuellement en cours développement au CEA est une application basée sur cette méthode. Avec l’arrivée des futures machines avec une architecture matérielle accélérée (CPU+GPU) comme la machine exaflopique Alice Recoque, il est essentiel de revoir certains aspects de ces codes pour tirer partie du matériel. Dans le cadre de TRIPOLI-5, des travaux précédents ont permis de
déporter le calcul de l’élargissement Doppler des sections efficaces à la température du matériau sur GPU. Néanmoins, le transport lui-même reste sur CPU.
Dans cette proposition de travaux exploratoires, nous proposons de développer une maquette d’un code Monte Carlo simplifié basé sur du transport sur GPU. Ceci demandera notamment de changer l’algorithme : en effet actuellement, l’algorithme est dit « history-based » où l’on s’intéresse à la vie d’une particule de sa naissance à sa disparition. Afin d’exposer plus de parallélisme, il est opportun d’employer un algorithme « event-based », où l’on s’intéresse à un même type d’évènement dans l’histoire d’un ensemble de particules. Le changement d’algorithme nécessite de reconcevoir un code et disposer d’une maquette est
primordial pour mener des recherches et des expérimentations sur l’architecture informatique.
Le but de ce projet est d’identifier des technologies logicielles utiles pour l’adaptation des codes de transport Monte-Carlo aux machines exaflopique. En particulier, on s’intéresse à l’écosystème de la bibliothèque multi-plateforme Kokkos. On se basera sur les bibliothèques opensource ArborX et Cabana. ArborX fournit des primitives de recherche géométrique optimisées pour GPU et Cabana propose des structures de données adaptées aux systèmes particulaires.
Investigation Expérimentale et Modélisation Thermodynamique des Phases du Corium Formées lors d’Accidents Nucléaires Sévères (24 mois)
Lors d'accidents graves dans des réacteurs à eau sous pression, le combustible en dioxyde d'uranium (UO2) réagit avec la gaine en zirconium et la cuve en acier, formant un mélange de phases liquides et solides appelé "corium en cuve". En cas de rupture de la cuve, ce corium se propage et réagit avec la dalle en béton pour former le "corium hors cuve". Ce phénomène s'est produit lors des accidents de Tchernobyl et de Fukushima. Pour simuler ces différentes étapes, les codes multi-physiques nécessitent des données thermodynamiques et thermophysiques précises sur les diverses phases du corium. Ce projet vise à combler ce manque de données grâce à des mesures expérimentales et à de la modélisation. Les travaux consisteront à synthétiser des échantillons, à mesurer les températures liquidus et solidus et les densités des liquides, ainsi qu’à caractériser les échantillons à l’aide de techniques avancées. De plus, le dispositif de chauffage laser combiné à la lévitation aérodynamique (ATTILHA) utilisé pour l’acquisition des données sera amélioré. Les résultats expérimentaux seront comparés aux modèles thermodynamiques (base de données TAF-ID), et les écarts seront résolus en utilisant la méthode CALPHAD. Les données thermophysiques seront également validées à l'aide de simulations atomistiques et d'autres techniques de mesure.
Developpement Accéléré de Matériaux résistants aux SELs fondus chlorures
Le développement accéléré de matériaux est un enjeu majeur pour toutes les industries et la résistance à la corrosion est d’autant plus importante pour les problématiques d’économies des ressources. Aussi, ce projet vise à estimer la résistance à la corrosion d’alliages FeNiMnCr dans un sel de chlorure en application aux réacteurs nucléaires à sels fondus en collaboration avec l’’université du Wisconsin qui a largement montré sa compétence dans le développement accéléré de matériaux pour les réacteurs à sels fondus de fluorures et de chlorures. Dans le cadre de ce post-doc, des dizaines d’échantillons d’alliages modèles quaternaires FeNiMnCr seront synthétisés par fabrication additive à l’université du Wisconsin en faisant varier la composition de sorte à cartographier au mieux l’intégralité du tétraèdre de composition. Ces échantillons ainsi qu’une nuance NiCr corrodée dans une large gamme de chimie du sel seront ensuite corrodés au CEA. L’intérêt de ces expérimentations est d’une part d’obtenir en très peu de temps (1.5 ans) une large base de donnée de corrosion sur les alliages FeNiMnCr mais aussi de cribler l’effet d’une large gamme de composition de sel sur un alliage modèle NiCr. Enfin ces expérimentations permettront de cibler les meilleurs matériaux pour étudier leurs mécanismes de corrosion.
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.