DEtecteur de gaz par Capteur à fibre Optique Répartie
Dans le contexte de la transition écologique et des énergies bas carbone, les technologies hydrogène se positionnent parmi les plus prometteuses. L’hydrogène décarboné représente une alternative plus écologique et plus durable que les batteries utilisées actuellement pour le stockage d’énergie. Un énorme intérêt se manifeste vers l’optimisation de la procédure de production et d’utilisation de l’hydrogène, notamment du côté du CEA, EDF, ORANO via les projets PEPR-H2 et udd@Orano. Cependant, peu de travaux sont menés dans le cadre de l’amélioration de la sureté autour des structures de production, acheminement et utilisation de cette énergie. Les fuites d’hydrogène peuvent représenter un risque très élevé d’accident grave. Dans ce PTC, on regroupe le savoir-faire de plusieurs directions du CEA afin de développer une nouvelle technologie de détection de fuite d’hydrogène qui peut répondre à ces enjeux majeurs. La combinaison d’une réaction chimique simple (réaction exothermique) avec les capteurs à fibre optique repartis, permet la création d’une nouvelle génération de capteurs hybrides. Ces capteurs utilisent un réactif qui s’échauffe en présence d’hydrogène, conduisant à une élévation de température, qui est facilement détectable par une fibre optique en utilisant la réflectométrie optique. Cette mesure est caractérisée par une grande précision (peut mesurer des variations de température inférieure au °C) avec des résolutions spatiales pouvant atteindre le millimètre. Ces capteurs vont permettre d’instrumenter des lignes de production, des circuits de transport, des conteneurs de stockage …, et donner une information en temps réel sur toute défaillance du système de confinement, mais aussi de localiser les fuites avec une meilleure précision que les capteurs existants. Le faible apport d’énergie (quelques mW) et l’absence d’électronique réduisent le risque d’étincelle, ce qui rend le capteur fonctionnel et sûr, même en présence de fortes concentrations d’hydrogène
Développement de composants magnétiques fabriqués par impression 3D
Accélérer le développement de nouveaux composants magnétiques permettant de répondre aux enjeux du déploiement des semi-conducteurs à grand gap pour la conversion de puissance. Des gains incrémentaux sur les géométries de composants magnétiques sont obtenus dans l’état de l’art par des configurations de type planaire, mais une véritable rupture en termes de compacité et de rendement pourrait être atteinte grâce à des noyaux magnétiques conçus avec des gradients de propriétés magnétiques. L’objectif du projet est de mettre en oeuvre des techniques de fabrication additive (FA) indirectes déjà étudiées au DMAT et au DTNM pour Concevoir des architectures magnétiques innovantes en maitrisant les étapes de cofrittage. Le projet se concrétisera par une évaluation sur un démonstrateur (inductance) conçue pour atténuer les phénomènes parasites critiques apparaissant aux interfaces entre les conducteurs et le noyau magnétique. Les matériaux magnétiques seront des ferrites déjà identifiés pour un fonctionnement à haute fréquence. La base de données sur ces matériaux, combinée aux outils de modélisation développés et le retour d’expérience acquis sur les procédés de FA permettront d’aborder plus largement des applications en électronique de puissance.
Adaptation de l'expérience de Delayed Hydride Cracking (DHC) aux matériaux irradiés
L’objectif de cette étude est de « nucléariser » l’« expérience de DHC » développée dans le cadre de la thèse de Pierrick FRANCOIS (2020-2023), permettant de créer dans des conditions de laboratoire le phénomène de DHC sur des gaines de Zircaloy, afin de déterminer la ténacité de ce matériau en cas de DHC : K_(I_DHC ).
Le terme « nucléariser » désigne le processus d’adaptation de l’expérience pour pouvoir tester des matériaux irradiés dans des enceintes dédiées (appelées cellules blindées), où les matériaux sont testés via des bras télémanipulateurs. Les protocoles décrits dans la thèse de Pierrick François devront donc être adaptés, si possible simplifiés, pour pouvoir être transposés en cellules blindées. Cela nécessitera des échanges approfondis avec les personnes en charge des essais, et l’utilisation des outils de simulation numérique développés dans le cadre de cette même thèse. Le développement de cette procédure en cellule blindée sera utilisé par le post-doctorant afin de qualifier le risque de DHC lors de l’entreposage à sec des assemblages combustible en quantifiant la ténacité en DHC après irradiation du gainage.
Développement de techniques de mesures in-situ et operando pour l’étude de la performance et du vieillissement de batterie lithium ion par insertion de capteurs internes
Dans le cadre de l’initiative PEPR Batterie portée par le CEA et le CNRS Collège de France, le projet SENSIGA vise à mettre en application les objectifs définis dans la roadmap européenne pour les « Smart Battery » écrit dans le cadre du Large Scale Initiative BATTERY2030+. Le projet porte sur le développement de capteurs innovants pour le monitoring des paramètres critiques des batteries Lithium ion afin d’optimiser les fonctions de BMS (Battery Management System) et d’améliorer leur performance, leur durabilité et leur sécurité. Le poste proposé ici porte sur le développement et la mise en œuvre de techniques de caractérisation in-situ et operando. Le candidat sera amené à participer au développement de capteurs optiques et électrochimiques pour des mesures internes sur cellules Li-ion. Il participera à l’instrumentation des cellules, leurs mises en œuvre dans différentes conditions de cyclage et à l’étude de leurs performances et vieillissement. Il participera à l’analyse des données ainsi qu’à l’étude post-mortem des cellules afin d’identifier les mécanismes de dégradation et effectuer la corrélation entre les mesures issues des capteurs et les phénomènes observés. Le présent post-doctorat s’inscrit dans un travail d’équipe composée d’électro-chimistes, de physiciens, de chimistes et de physiciens optique expérimentés dans le domaine [1-5]. Il se concentrera sur l’instrumentation interne de la cellule et travaillera en étroite collaboration avec un deuxième postdoc dédié à l’instrumentation de cellules par mesures multi-capteurs externe. L’objectif de ces travaux est de fournir un ensemble de données fiables sur les mécanismes de dégradation des cellules et leur monitoring afin d’alimenter les travaux qui seront réalisés par la suite au cours du projet sur la mise en place de fonctions avancées du « Battery Management Systems ».
Mécanismes de génération et de transformation des aérosols issus de la découpe du corium lors du futur démantèlement de Fukushima Daiichi.
Lors des accidents des réacteurs de Fukushima Daiichi, plusieurs centaines de tonnes de corium (mélanges issus de la fusion des cœurs des réacteurs et de leur interaction avec les structures environnantes) ont été formés. Le gouvernement japonais a pour plan de démanteler d’ici 30 à 40 ans la centrale de Fukushima, ce qui implique de récupérer les débris de corium qui s’y trouvent. Le CEA participe à plusieurs projets liés à la maîtrise du risque liés aux aérosols radioactifs issus de la découpe de corium.
L’objectif du stage postdoctoral est d’exploiter la grande base de données expérimentale issue de ces projets pour étudier les mécanismes de génération et de transformation de ces aérosols de découpe (thermique et/ou mécanique). Une source importante de génération des aérosols semble être un phénomène d'évaporation partielle/condensation voisin d'une distillation fractionnée. Une modélisation thermodynamique pourra être proposée, couplée avec certains effets cinétiques. Pour la découpe thermique, les analyses des aérosols devront être comparées à la microstructure des blocs de corium pour mettre en évidence et quantifier un relâchement privilégié de certaines phases.
Après une étude bibliographique, une synthèse des résultats expérimentaux obtenus sera menée à bien et complétée par des analyses chimiques ou cristallographiques.
Le post-doctorat se déroulera au sein d'un laboratoire expérimental d'une vingtaine de personnes au CEA Cadarache (institut IRESNE).
Postdoc Contrôle Avancé Tolérant aux Défauts pour l'Amélioration de la Durabilité des Piles à Combustible
Les piles à combustible représentent une technologie clé pour les systèmes énergétiques propres et durables, en particulier dans des configurations hybrides pour des applications de transport et stationnaires. Cependant, leur durabilité dans des conditions réelles reste un défi critique. Ce projet vise à relever ces défis en explorant des stratégies de contrôle avancées basées sur des algorithmes de pronostic de pointe pour l’évaluation de l’état de santé des piles à combustible.
Cette offre se concentre sur les sujets de contrôle et optimisation avancés, et plus spécifiquement sur la conception de stratégies de contrôle tolérant aux défauts (FTC).
En s'appuyant sur des travaux antérieurs dans le domaine des pronostics par apprentissage automatique pour l’état de santé des piles à combustible, ce projet vise à développer des méthodes exploitant ces informations de pronostic pour optimiser le fonctionnement du système de pile à combustible. En combinant des approches basées sur des modèles, sur l’apprentissage par la donnée et avec des tests sur des plateformes réelles, ce projet vise à développer des solutions robustes et déployables qui améliorent la durabilité des piles à combustible tout en réduisant la complexité et les coûts de mise en œuvre des solutions avancées.
Dépolymérisation en milieu hydrothermal d’un mélange de plastiques en fin de vie en vue de recyclage/réutilisation
Les matériaux plastiques en fin de vie sont faiblement recyclés du fait de contraintes techniques, sanitaires ou structurelles. Pour répondre à cette problématique, une voie de solvolyse peut être considérée de sorte à récupérer monomères précurseurs ou autres molécules valorisables. Si de bons résultats sont obtenus sur des flux préalablement triés, cette méthode reste sensible à la composition du flux entrant, ainsi qu’à la présence de contaminants. Le Laboratoire des Procédés Supercritiques et de Décontamination a mis au point une méthode originale de dépolymérisation en conditions hydrothermales (150 à 300°C et pression autogène) permettant d’envisager le traitement d’un mélange de polymères en fin de vie (PET, PU, PC, PE, PVC). Une étude paramétrique sera effectuée sur un mélange de polymères de composition fixée en étudiant l’influence des paramètres procédé sur la composition des phases aqueuses et organiques, de sorte à définir des critères de performance tels que les rendements de conversion et de dépolymérisation. Plusieurs déchets plastiques en fin de vie, seuls ou en mélange seront considérés, de sorte à mettre en lumière un possible effet synergique sur la récupération de tout ou partie des monomères/produits valorisables. Enfin, un bilan énergétique et matière sera mis en œuvre en vue d’étudier le cycle de vie complet du procédé et d’évaluer la pertinence du procédé de dépolymérisation en conditions hydrothermales.
Recyclage des métaux d'intéret de panneaux solaires photovoltaïques
La production mondiale d'énergie solaire en 2023 a dépassé 1 TW, représentant les 3/4 de la production d'énergie renouvelable globale. D'après les projections, cette production sera doublée d'ici 10 ans, et multipliée par 20 d'ici 2050. Ce développement massif de la technologie solaire photovoltaïque induit de fait l'augmentation du volume de déchets liés à la fin de vie des panneaux solaires.
Il est essentiel de mettre en place dès aujourd'hui des méthodes de recyclage des métaux intégrés dans les panneaux solaires qui seront à traiter dans quelques années. Parmi ces métaux, l'argent et le cuivre sont des métaux stratégiques et dont la valeur commerciale rend le recyclage particulièrement intéressant.
Le but de ce projet est de développer une voie chimique de recyclage de l'argent et du cuivre sous forme de nanoparticules bimétalliques de type Cu@Ag. Ces nanoparticules devront être obtenues à partir de concentration en ces métaux classiquement rencontrées dans les cellules solaires c-Si. L'intérêt d'obtenir des nanoparticules réside dans leur capacité à être utilisées dans la conception d'encres conductrices utilisées pour la métallisation de cellules solaires en silicium. Une seconde étape consistera donc à formuler une encre à partir des nanoparticules obtenues.
Dans le cadre de la collaboration avec le LPH du centre CEA INES, la ou les encres préparées seront testées dans la métallisation de cellules solaires en silicium. Enfin, leurs performances seront mesurées et comparées à celles d'encres commerciales.
Performance numérique et sensibilité du modèle thermo-hygro-corrosive des tunnels souterrain français de stockage de déchets radioactifs
Ces dernières années, un modèle multiphysique représentant les phénomènes physiques complexes qui influencent l'accumulation de rouille dans les tunnels de stockage (alvéoles) a été mis en œuvre numériquement dans le logiciel de méthode des éléments finis (FEM) Cast3M. Dans le but d'estimer les propriétés thermo-hygro-corrosives des alvéoles sur de longues échelles de temps, des travaux récents (et en cours) ont été entrepris pour améliorer le temps d'exécution de l'algorithme de résolution. Cependant, pour qu'un modèle numérique FEM soit considéré comme un outil d'ingénierie/scientifique rigoureux, des barres d'erreur doivent être associées à tous les résultats de calcul ; par conséquent, la quantification minutieuse de la pléthore d'incertitudes de modélisation est primordiale. Pour entreprendre une telle tache, il faut d'abord s'attaquer à de multiples problèmes, en commençant par une amélioration de la représentativité physique du modèle multiphysique, en poursuivant par une amélioration des performances de calcul du modèle numérique, et en terminant par des études de sensibilité rigoureuses du modèle mis en œuvre. Il est nécessaire de travailler sur les performances de calcul, afin de rendre l'exécution du programme suffisamment rapide pour garantir que les vastes séries d'expériences numériques requises se déroulent dans des délais raisonnables.
Conception et déploiement de stratégies innovantes de pilotage pour les réseaux énergétiques intelligents
Les réseaux de chaleur (RdC) jouent un rôle crucial dans les stratégies de transition énergétique grâce à leur capacité à intégrer efficacement les énergies renouvelables et la chaleur de récupération. En France, la stratégie nationale bas-carbone met l’accent sur l’expansion et l’optimisation des RdC, y compris des réseaux de plus petite taille avec plusieurs sources de chaleur comme le solaire thermique et le stockage. Les systèmes de contrôle intelligents, tels que le contrôle prédictif basé sur des modèles (MPC), visent à remplacer les pratiques manuelles basées sur l’expertise humaine pour améliorer l’efficacité. Cependant, le déploiement de systèmes de contrôle avancés sur de petits réseaux reste difficile en raison des coûts et de la complexité liés au matériel et à la maintenance.
Les solutions industrielles actuelles pour les grands RdC utilisent la programmation linéaire en nombres entiers mixtes (MILP) pour l’optimisation en temps réel, tandis que les petits réseaux s’appuient souvent sur des systèmes à base de règles. Les travaux de recherche se concentrent sur la simplification des modèles MPC, l’utilisation de pré-calculs hors ligne ou l’intégration de l’apprentissage automatique pour réduire la complexité. Des études comparatives évaluent diverses stratégies de contrôle en termes d’adaptabilité, d’interprétabilité et de performance opérationnelle.
Ce projet postdoctoral vise à faire progresser les stratégies de contrôle des RdC en développant, testant et déployant des approches innovantes sur un site expérimental réel. Il s’agit de créer et de comparer des modèles de contrôle, de les implémenter dans un simulateur physique, et de déployer les solutions les plus prometteuses. Les objectifs incluent l’optimisation des coûts d’exploitation, l’amélioration de la robustesse des systèmes et la simplification du déploiement.