Echangeurs d’ions hybrides pour le traitement des Liquides Organiques Radioactifs : aide au design par dynamique moléculaire

Le projet ECCLOR (Projet labellisé ‘Investissement pour le future’) se concentre sur le traitement des effluents organiques radioactifs en développant des matériaux poreux capables d'éliminer sélectivement les ions émetteurs alpha. Les recherches menées au CEA ont permis de concevoir des matériaux hybrides avec des performances variables dans la capture des émetteurs alpha présents dans les liquides organiques. Comprendre ces performances à l'échelle moléculaire est essentiel mais complexe.
Pour répondre à ce défi, ce contrat post-doctoral se penche sur l'utilisation de la dynamique moléculaire classique pour rationaliser ces performances. Les travaux seront menés au laboratoire LILA du centre de recherche de Marcoule, profitant de l'expertise des équipes spécialisées dans la modélisation des systèmes solide/liquide par dynamique moléculaire classique.
Pour soutenir ces simulations, des données expérimentales pourront être fournies par des laboratoires tels que le Laboratoire des Procédés Supercritiques et de Décontamination (LPSD) et le Laboratoire de Formulation et Caractérisation des Matériaux minéraux (LFCM). Les résultats obtenus seront examinés lors de réunions d'avancement et feront l'objet de publications scientifiques.
En résumé, ce contrat post-doctoral vise à coupler des approches théoriques à l’expérience. La compréhension des interactions au sein de ces matériaux à l’échelle moléculaire est essentielle afin d’apporter des éléments de compréhension et améliorer les procédés actuellement en cours d’étude.

Modélisation du comportement en corrosion des aciers inoxydables en milieu acide nitrique avec la température

La maîtrise du vieillissement des matériaux des équipements (principalement en acier inoxydable) de l'usine de recyclage du combustible nucléaire usé, fait l'objet d'une attention permanente notamment dans le cadre de la pérennisation de son activité (enjeu industriel majeur). Cette maîtrise passe par une meilleure compréhension des phénomènes de corrosion des aciers par l'acide nitrique (agent oxydant mis en jeu lors des étapes de recyclage), et in-fine par leur modélisation.
Les matériaux d’intérêt sont les aciers inoxydables austénitiques Cr-Ni, à très basse teneur en carbone. Une étude récente sur acier inoxydable riche en Si, qui a été développé dans le but d'améliorer la tenue en corrosion de ces aciers vis-à-vis de milieux très oxydants comme ceux rencontrés en certains endroits de l’usine [1, 2] ; a montré que la corrosion de cet acier était thermiquement activée entre 40 °C et 142 °C avec un comportement différent en-dessous et au-dessus de la température d’ébullition (107 °C) de la solution [3]. En effet, entre 40 °C et 107 °C, l’énergie d’activation est de 77 kJ/mol et au-dessus de l’ébullition, elle est beaucoup plus faible et vaut 20 kJ/mol. Cette différence peut être due à une barrière énergétique plus faible ou à une étape cinétiquement limitante différente.
L’enjeu de ce sujet post doctoral est de disposer d’un modèle de corrosion prédictif en fonction de la température (en deçà et au-delà de l’ébullition). Dans cet objectif, il sera important d’analyser et d’identifier les espèces impliquées dans le processus de corrosion (phase liquide et gaz) en fonction de la température mais aussi de caractériser les régimes d’ébullition. Ce modèle pourra expliquer la différence d’énergies d’activation de cet acier riche en Si en-dessous et au-dessus de la température d’ébullition d’une solution d’acide nitrique concentrée mais aussi permettra d’optimiser les procédés de l’usine où la température et/ou le flux thermique ont un rôle important.

Chercheur en intelligence artificielle appliquée à la microfluidique autonome

Cette offre de postdoctorat fait partie du projet 2FAST (Fédération de Laboratoires Fluidiques Autonomes pour Accélérer la Conception de Matériaux) du PEPR DIADEM, qui vise à automatiser complètement la synthèse et la caractérisation en ligne de matériaux à l’aide de puces microfluidiques « orchestrées ». Ces techniques offrent un contrôle précis et tirent parti des avancées numériques pour améliorer les résultats de la chimie des matériaux. Cependant, la caractérisation complète des nano/micro-matériaux à cette échelle reste un défi en raison de son coût et de sa complexité. 2FAST ambitionne d’exploiter les progrès récents dans l'automatisation et de l'instrumentation des plateformes microfluidiques, afin de développer des puces microfluidiques interopérables et automatiquement pilotées permettant une synthèse contrôlée de nanomatériaux. Plus précisément, l'objectif est d'établir une preuve de concept pour une plateforme de réacteur microfluidique/millifluidique à haut débit pour la production continue de nanoparticules de métaux nobles. Des boucles de rétroaction gérées par des outils d’intelligence artificielle contrôleront la progression de la réaction à partir d’informations acquises en ligne par des techniques spectrométriques (UV-Vis, SAXS, Raman). Le postdoctorat proposé porte sur l’ensemble des travaux en intelligence artificielle associés à ces développements, à savoir : i) la conception de boucles de rétroaction, ii) la création d'une base de données de signaux adaptés à l'apprentissage automatique, iii) la mise en œuvre de méthodes d'apprentissage automatique pour connecter les différentes données et/ou piloter les dispositifs microfluidiques autonomes.

Étude thermodynamique des matériaux à transition métal-isolant - Le cas du VO2 dopé pour les applications de fenêtres intelligentes

Ce post-doc vise à développer une base de données thermodynamiques spécifique sur le système V-O-TM (TM=Fe,Cr,W) en utilisant l'approche CALPHAD. Le candidat mènera des campagnes expérimentales afin d'obtenir des données pertinentes pour alimenter les modèles thermodynamiques. Le candidat utilisera principalement l'équipement expérimental disponible au laboratoire (DTA, fours de recuit, spectrométrie de masse à haute température, chauffage laser, SEM-EDS). En outre, le post-doc pourra participer à des activités combinatoires à haut débit menées par d'autres laboratoires du consortium Hiway-2-Mat (par exemple, ICMCB à Bordeaux), permettant une meilleure connexion entre les résultats de la simulation CALPHAD et la plateforme de caractérisation accélérée. La base de données thermodynamiques sera ensuite incluse dans la routine de recherche autonome mise en œuvre dans la voie d'exploration des matériaux.

Etude des sites d’amorçage de la rupture fragile dans des aciers faiblement alliés présentant des zones de ségrégation

La macro-ségrégation des éléments d'alliage et des impuretés dans les forgés lourds en acier type 16-20 MND 5 du Circuit Primaire Principal des centrales nucléaires conduit à des variations significatives des propriétés mécaniques et en particulier de la résilience ou de la ténacité. Cette macro-ségrégation se produit lors de la solidification du lingot et peut subsister, en partie, dans le composant malgré les chutages réalisés lors de la fabrication.
Jusqu’à un niveau de macroségrégation modéré, l’amorçage de la rupture fragile par clivage apparaît principalement sur des carbures situés à proximité de joints de grains. L’objectif principal de ce post-doctorat est d’étudier finement des sites d’amorçage de la rupture fragile pour identifier ces carbures et les conditions cristallographiques responsables de cet amorçage. Une analyse statistique sera ensuite menée pour identifier les populations de ces carbures repérés sur les sites d'amorçage au sein de la microstructure du matériau. Ces résultats serviront à alimenter un modèle d'approche locale de la rupture

Modèle de rupture d'agglomérat et homogénéisation par simulations DEM : Calibration avec des micro-compressions tomographiques dans la ligne de faisceau de rayons X Soleil

Le processus de fabrication de la céramique de référence comprend trois étapes principales : le broyage, le pressage et le frittage. Le compactage des granulés pendant le pressage repose sur trois étapes principales de densification : le réarrangements par déplacement, le compactage par déformation et l'agglomération des fractures par compression. Ce projet de recherche vise à explorer l'influence de l'étape de pressage sur le comportement de la microstructure pendant le processus de frittage. L'étude porte sur une poudre composée d'agglomérats dont la microstructure est basée sur un mélange homogène de TiO2-Y2O3, TiO2 et Y2O3 sont respectivement utilisés comme substituants pour UO2 pour PuO2. Ces agglomérats cassable sont constitués de particules élémentaires incassables, synthétisés par granulation cryogénique (CGSP) [1].
Des études récentes menées sur la ligne Anatomix du synchrotron Soleil [2] ont validé les résultats des micro-compressions tomographiques, en accord avec la théorie de Kendall (Fig. 1). Les expériences comprenaient des essais de micro-compression cyclique unidirectionnelle sur des agglomérats soumis à un simple cycle de charge et de décharge jusqu'à la rupture.
Les post-traitements tomographiques ont permis de mieux décrire la porosité, et d'appréhender l'initiation et la propagation des fissures. Plusieurs études de simulation DEM ont également été utilisées pour explorer (modéliser ?) le comportement des agglomérats sous chargement dynamique ou quasi-statique avec et sans rupture, sans toutefois calibrer complètement le modèle de rupture [3], [4], [5].

Etude du comportement sismique des tuyauteries via des modèles mécaniques de différents niveaux de fidélité

Les tuyauteries font partie des équipements pour lesquels une attention particulière est portée dans le cadre du réexamen de sûreté ou de la conception des installations nucléaires. Les systèmes de tuyauterie des installations nucléaires sont conçus conformément aux codes, normes et réglementations, pour résister aux chargements qui se produisent ou pourraient se produire pendant la durée de vie nominale d’une installation. Ces systèmes doivent donc être conçus pour résister aux chargements accidentels tels que les séismes. Le retour d’expérience montre que les tuyauteries se comportent généralement bien en cas de séisme. Lorsque des défaillances sont observées, elles sont plutôt dues à un mouvement important des ancrages, à des matériaux fragiles, à des joints non soudés, à la corrosion, à des défaillances des supports de tuyauterie ou à des interactions sismiques. En pratique, pour pouvoir estimer le comportement sismique au-delà du niveau de dimensionnement et les risques de défaillance associés, l’ingénieur peut mettre en œuvre des modèles numériques impliquant des degrés de raffinement variés en fonction des besoins. Cette étude consiste à faire un bilan sur les capacités de modélisation numérique des tuyauteries sous séisme. Pour des raisons de temps de calculs, se sont souvent des modélisations globales de type poutre qui sont plébiscitées, en considérant des lois de matériaux simplifiées comme des lois de matériaux bilinéaires avec écrouissage cinématique. On connait les limitations « théoriques » de ces modélisations mais il est difficile d’avoir les idées claires concernant leurs limites d’applicabilité effectives en fonction du niveau de sollicitation et du dommage visé. Pour faire ce bilan, on propose d’interpréter, à l’aide de différents modèles numériques impliquant différents degrés de fidélité, les résultats de la campagne expérimentale menée par le BARC et qui a servi au benchmark MECOS (MEtallic COmponent margins under high Seismic loads).

Modélisation thermodynamique du revêtement protecteur pour des cellules d'électrolyse à oxyde solide

Dans la poursuite d'un avenir énergétique durable, les cellules d'électrolyse à oxyde solide (SOEC) sont une technologie très prometteuse pour produire de l'hydrogène décarboné par électrolyse de l'eau à haute température (entre 500 et 850°C). Bien qu'une température de fonctionnement élevée offre de nombreux avantages (haut rendement et bas coût), elle peut entraîner une dégradation des interconnecteurs. Des revêtements sont proposés pour améliorer les performances à long terme des interconnecteurs et réduire les problèmes de corrosion. L'objectif est de trouver les meilleurs candidats au revêtement avec une stabilité thermodynamique élevée, une conductivité électrique élevée et une faible diffusion des cations. Dans ce contexte, vous rejoindrez l'équipe LM2T au sein du projet DIADEM (https://www.diadem.cnrs.fr/2023/03/29/atherm_coat/) pour les matériaux innovants.
Votre rôle consistera à :
1)Effectuer des simulations thermodynamiques en utilisant la méthode CALPHAD et le logiciel Thermo-Calc pour prédire la gamme de stabilité d'un ensemble de candidats revêtements (par exemple, oxydes spinelles et pérovskites) et les réactions de décomposition possibles dans différentes conditions atmosphériques (température et pression partielle d'oxygène). Au cours de cette étape, le candidat effectuera également un examen critique des données thermodynamiques disponibles dans la littérature.
2)Coupler les informations obtenues à partir des calculs CALPHAD et des bases de données thermodynamiques pour estimer l'expansion thermique et la conductivité électrique des compositions les plus prometteuses.
Le candidat travaillera en étroite collaboration avec l'équipe expérimentale (ISAS/LECNA et UMR-IPV) produisant les revêtements afin de guider les futurs essais et d'adapter la méthode pour mieux répondre aux besoins de production à grande échelle.

Etude du transfert d’aérosols au travers de matériaux dégradés

Pour certaines familles de colis de déchets radioactifs, des liants hydrauliques sont utilisés pour établir une barrière confinante entre le cœur des colis de déchets et l’environnement. Les études de sûreté étudient des scénarios accidentels extrêmes pour cette phase (chutes, incendies …) qui peuvent conduire à une altération de la barrière confinante sous forme de fissurations. Il est alors important d’étudier la capacité de rétention de ces fissures vis-à-vis des particules radioactives.
Des études expérimentales ont été initiées avec la thèse d’A. Boccheciampe qui a étudié le cortège de particule (40µm) dans des fissures modèles artificielles (créés à l’imprimante 3D) par mesures microtomographie-3D.
L’objectif post-doctoral est de poursuivre cette thématique avec une approche identique à celles développées sur les études d’efficacité de filtres, afin d’investiguer les particules de diamètre plus faible, entre 0,05 et 5 µm. Les études quantitatives seront ainsi portées sur les flux amont et aval de particules de part et d’autre d’éprouvettes fissurées/dégradées, avec générateur d’aérosol, compteur granulomètre optique et analyseur U-SMPS. Des travaux de modélisation devront être entrepris.

Caractérisation de phénomènes multiphysiques locaux dans le réacteur de recherche CABRI

L'institut de R&D IRESNE du CEA Cadarache propose un post-doctorat dont l'objectif est de développer un couplage entre le modèle multiphysique APOLLO3®/THEDI du cœur et le modèle CATHARE du système de dépressurisation de l’hélium-3 dans le réacteur CABRI. A l’aide de cet outil de simulation, le post-doctorant définira des configurations de cœur d'intérêt et des mesures pour caractériser les phénomènes multi-physiques locaux dans CABRI.
Le réacteur de recherche de CABRI, situé au CEA Cadarache, est dédié à l'analyse du comportement du combustible nucléaire lors d'un accident de d’insertion de réactivité dans les réacteurs à eau pressurisée. Il simule expérimentalement des transitoires de puissance dans le cœur. Ces derniers sont initiés par la dépressurisation de quatre barres transitoires contenant un puissant gaz neutrophage, de l’3He.
Deux modèles ont été récemment développés pour simuler les transitoires de puissance de CABRI. Le premier modèle, à l'échelle de l'assemblage, est un outil appelé PALANTIR ; il est basé sur le code de thermohydraulique système CATHARE2 et des métamodèles pour fournissent la réactivité injectée par la dépressurisation de l’3He. CATHARE2 comprend un module de cinétique ponctuelle, en plus de modèles de thermohydraulique et de thermomécanique. Outre le cœur, le circuit de dépressurisation est modélisé, ce qui permet d'accéder à la densité de 3He dans les barres transitoires.
Le second modèle, à l'échelle du crayon, est basé sur un couplage APOLLO3®/THEDI via la plateforme C3PO. APOLLO3® résout l'équation de transport simplifiée à 3D. THEDI est utilisé pour modéliser un écoulement hydraulique 1D dans le cœur et résout également l'équation de la chaleur 1D. Pour la simulation de chaque transitoire, PALANTIR fournit l'évolution de la densité d’3He en fonction du temps ; ces données sont imposées comme conditions aux limites dans le couplage APOLLO3®/THEDI.

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