Mise au point, validation métrologique et essais en milieu extérieur d'une unité de mesure Raman/FO multitrack dédiée à la sécurité de futures stations cryogéniques de distribution d’hydrogène liquide
Contexte : Les usages domestique et industriel de l’hydrogène liquide comme carburant du futur nécessitent de définir un code de sécurité adapté. Actuellement, les critères de séparation des réservoirs ont été définis par anticipation selon une approche conservatoire. Il est donc nécessaire de réaliser des expériences en vraie grandeur (épandages) afin d’alimenter des codes de calculs et bâtir une normalisation pertinente. Ces expériences requièrent la mise en œuvre d’une instrumentation adaptée à la mesure de tous les gaz présents en espace libre (O2, N2, H2O, H2) afin d’établir un relevé de pressions partielles au cours de chaque essai, corrélé aux autres moyens de mesure mis en place (thermométrie, catharométrie, PIV, BOS,…).
Mission : Dans le contexte d’un projet ANR-PEPR (ESKHYMO) géré par le CEA Liten, une unité de mesure spectrométrique Raman/FO Multitrack sera mise au point conjointement par le CEA List et le CEA DES sur la base d’un dispositif existant. La mesure Raman est multi-élémentaire, multi-track (une seule unité de mesure pour plusieurs sondes), non-déflagrante, et délivre une mesure autonormalisée à une espèce de référence (le plus souvent l’azote à la pression atmosphérique). L’unité de mesure Raman/FO comportera un laser, un spectromètre associé à une caméra CCD scientifique et un circuit de fibres optiques permettant le déport de la mesure. La conception des sondes Raman/FO sera également basée sur une réalisation existante au CEA que l’on cherchera à miniaturiser en vue d’un déploiement en conditions de terrain. Quatre sondes Raman/FO seront réalisées puis ensuite étalonnées en air (enceinte climatique) et en hydrogène (tube à choc ou chambre à vide) au CEA DES DM2S à Saclay. Finalement, le dispositif final sera déployé sur site d’essai pour procéder à des mesures multigaz lors des expériences d’épandage, en partenariat avec l’industriel Air Liquide et les organismes accréditeurs (INERIS).
Compétences : Optique, laser, fibres optiques
Comportement sismique d’un pont roulant
Les ponts roulants font partie des équipements d’installations industrielles pour lesquels il convient de porter une attention particulière. Ils sont en effet généralement situés en partie haute des ouvrages de génie civil et donc potentiellement soumis à des niveaux importants d’accélération en cas de séisme du fait de l’amplification induite par la structure porteuse. En conséquence, ils sont potentiellement sujets à des efforts significatifs et peuvent être la source d’efforts importants sur la structure de supportage. L’enjeu pour la sûreté est de se prémunir face au risque d’agression avec des équipements sensibles, en cas d’instabilité des éléments constitutifs du pont ou de la structure de supportage. Cette étude s’inscrit dans la continuité de deux précédentes campagnes d’essais qui ont été menées sur la table vibrante Azalée du laboratoire EMSI sur une maquette de pont roulant. Elle vise à fournir des modèles numériques validés de ponts roulants. Deux axes de recherche sont envisagés. Le premier axe consiste à compléter les campagnes d’essais « historiques » par des essais statiques sur la maquette pour justifier le recalage des modèles numériques. Le second axe consiste à exploiter, par confrontation essais/calculs, l’ensemble des essais qui ont été réalisés dans le cadre d’une campagne d’essais précédente et qui ont été réalisés à des fins d’analyse statistique.
Etude thermodynamique du système Nb-O-Zr pour le recyclage d'assemblages nucléaires
Lors du recyclage des combustibles nucléaires, les assemblages irradiés sont cisaillés en tronçons appelés coques. La matière nucléaire contenue dans les tronçons est dissoute en milieu acide et les éléments de structures et de gainage sont rincés puis compactés et conditionnés en colis CSD-C (Conteneur Standard de Déchets Compactés) relevant actuellement d’un stockage MA-VL dans CIGEO.
Le projet REGAIN (REcyclage des GAInes Nucléaires) est un projet soutenu dans le cadre du volet nucléaire de France Relance, dans la catégorie des « Solutions innovantes pour la gestion des matières et déchets radioactifs et la recherche d’alternatives au stockage géologique profond » . Il propose l’étude d’une solution alternative à la filière découlant du compactage des coques, dans le but d’optimiser la gestion des matériaux d’assemblage et de gainage irradiés. Cette solution repose sur une approche innovante et en rupture consistant à réduire le terme source radiologique des coques grâce à une succession d’opérations de décontamination dans l’objectif de limiter le volume de déchets ultimes : Une première étape de décontamination en actinides (An) et produits de fissions (PF) et une seconde étape de séparation du zirconium des produits d’activation de structure (PAS).
Afin d’alimenter les études sur le procédé industriel, une partie du projet REGAIN est dédié à la collecte et à l’établissement des données de base structurant les études du projet, à la fois sur des dimensions scientifiques, techniques et économiques.
Dans ce cadre, le CEA propose un post-doc avec l’objectif de développer une base de données thermodynamiques pour le système ternaire Nb-O-Zr à partir des données de la littérature et des données expérimentales collectées au sein du projet. Il sera possible au cours du projet de considérer la contribution d’une sélection de produits de fission. Le candidat pourra être amené à réaliser des expérimentations supplémentaires afin de compléter le jeu de données
Développement d’un outil de simulation du processus de piqûration d’un acier inoxydable utilisé pour l’entreposage des déchets nucléaires
Les déchets nucléaires de structure sont compactés dans des galettes, empilées dans un conteneur en acier inoxydable. Dans ces galettes de compactage sont placés différents matériaux de type métallique additionnés de matière organique, dont des déchets chlorés. Par dégradation radiolytique, ces derniers peuvent conduire à la formation de chlorure d’hydrogène HCl. Durant la phase d’entreposage, une humidité relative peut être présente au sein du conteneur, qui, additionnée au HCl, peut conduire à un phénomène de condensation, avec pour conséquence l’apparition, à la surface des matériaux, de condensats acides et concentrés en ions chlorures. Au contact de cet électrolyte acide et chloruré, un phénomène de piqûration est susceptible de s’amorcer à la surface d’un acier inoxydable. Il s’agit d’un phénomène local pouvant conduire au percement du matériau dans les cas extrêmes. L’amorçage de ce phénomène dépend de plusieurs facteurs : la morphologie de l’électrolyte, sa composition et son évolution dans le temps.
Si de nos jours ce phénomène est bien connu, le modéliser reste un défi majeur car il s’agit d’un problème multi physiques et multi paramètres couplés. De nombreuses questions restent ouvertes notamment au niveau des lois physiques et chimiques à utiliser ou comment représenter le processus de corrosion ?
L’objectif du post-doctorat est de développer un outil sous COMSOL capable de simuler l’amorçage et l’évolution dans le temps d’une piqûre à la surface d’un acier inoxydable. La démarche s’appuiera sur une modélisation mécaniste des processus (processus de transport de matière et ensemble des réactions chimiques et électrochimiques).
Le post doctorat se déroulera en plusieurs actions :
1-faire un état de l’art de la bibliographie afin de comprendre le phénomène de piqûration et d’identifier les lois nécessaires à la modélisation.
2-simuler la propagation de la piqûre pour établir un critère de propagation.
3-simuler l’amorçage du processus.
Microsystème séparatif couplé à la spectrométrie de masse pour la purification et la caractérisation en ligne d’échantillons nucléaires
La miniaturisation d’étapes analytiques communément effectuées en laboratoire présente de nombreux avantages et en particulier dans le secteur nucléaire, pour lequel la réduction de consommation de matières et de production de déchets est d’intérêt majeur. Dans ce contexte, un des axes du laboratoire est la miniaturisation d’outils analytiques, notamment de techniques séparatives par chromatographie.
Dans ce projet, il s’agira de réduire l’échelle des étapes de purification d’échantillons nucléaires par chromatographie d’extraction sur phase solide, en amont des processus d’analyse. L’obtention de ces dispositifs d’extraction miniaturisés repose sur la synthèse et l’ancrage in situ de monolithes dans les canaux de microsystèmes en copolymère d’oléfine cyclique (COC). Ce matériau étant chimiquement inerte, des stratégies de fonctionnalisation du COC sont en cours de développement au laboratoire pour greffer de façon covalente des sites réactifs à sa surface, avant d’ancrer localement des monolithes spécifiques des actinides aux parois des micro-canaux. L'objectif est de concevoir et fabriquer des microsystèmes d’extraction chromatographique en COC, de les mettre en œuvre pour des purifications chimiques et des mesures par spectrométrie de masse, hors ligne et en ligne
Effets des tremblements de terre sur les installations souterraines
Le Centre industriel de stockage géologique (Cigéo) est un projet de centre de stockage géologique profond de déchets radioactifs à construire en France. Ces déchets seront placés dans des colis scellés dans des tunnels conçus à 500 mètres de profondeur. Les scellements sont constitués d'un mélange de bentonite et de sable qui présente une forte capacité de gonflement et une faible perméabilité à l'eau. Dans le cadre de la démonstration de la sûreté à long terme du dépôt, il doit être démontré que les structures de scellement peuvent remplir leurs fonctions sous chargements sismiques pendant toute leur durée de vie. Afin de garantir ce futur dépôt de déchets nucléaires, le CEA et l'Andra collaborent pour travailler sur les potentiels défis scientifiques et techniques.
La réponse des scellements souterrains aux séismes est complexe en raison de l'évolution spatiale et temporelle des propriétés hydromécaniques des milieux environnants et de la structure elle-même. Une modélisation précise du comportement nécessite donc un code numérique multiphysique couplé pour modéliser efficacement les réponses sismiques de ces structures souterraines pendant leur durée de vie estimée à 100 000 ans.
La recherche proposera donc une évaluation des performances de la modélisation numérique séquentielle et parallèle par éléments finis pour l'analyse sismique des installations souterraines profondes. Ensuite, elle effectuera un échantillonnage de données synthétiques pour tenir compte des incertitudes liées aux matériaux et, sur la base des résultats obtenus lors de l'évaluation précédente, elle effectuera une analyse de sensibilité en utilisant une méthode FEM ou un processus de métamodélisation. Enfin, les résultats et les connaissances acquises dans le cadre de ce projet seront traités et interprétés afin de fournir des réponses aux besoins industriels.
Développements expérimentaux et technologiques d’un procédé de minéralisation de déchets liquides organiques par plasma
Le procédé ELIPSE développé au CEA permet la destruction des liquides organiques par injection dans un plasma de forte puissance.
Si la faisabilité de destruction de différents composants organiques à des débits de quelques litres par heure est aujourd’hui démontrée, les essais doivent maintenant être approfondis pour des liquides organiques de références pertinemment choisis en fonction des gisements existants.
Ces études, sur la base des données de caractérisations des LOR (Liquides Organiques) choisis, auront pour objectif d’apporter des résultats de procédé détaillés obtenus avec des conditions opératoires les plus représentatives, pour permettre une évaluation complète et quantitative du procédé. Cela permettra d’établir des données d’exploitation, de robustesse et d’endurance du procédé.
Ces travaux incluront l’étude du comportement des radioéléments dans le procédé qui sera indispensable à l’étude de nucléarisation : il s’agira d’étudier le comportement physico-chimique des actinides lors de leur traitement via l’utilisation de simulants inactifs.
Altération aqueuse du verre nucléaire dans son environnement de stockage
Exploitation, caractérisation et modélisation d’expériences dites « intégrales » d’altération de verres destinés au confinement de déchet nucléaires (SON68 et AVM4) en présence de fer, de matériau cimentaire et d’argilite du site de Bure dans deux configurations géométriques : l’une simulant une alvéole de stockage, l’autre mélangeant intimement les matériaux en présence. Ces essais ont été lancés pour le compte de l’ANDRA entre 2017 et 2018 et leur caractérisation a débuté ces deux dernières années.
Calcul de la conductivité thermique du combustible UO2 et l’influence des défauts d’irradiation
L’étude du comportement sous irradiation du combustible nucléaire fait l’objet de simulations dont les résultats dépendent étroitement de ses propriétés thermiques et de leurs évolutions avec la température et l’irradiation. La conductivité thermique de l’oxyde 100% dense peut à présent être obtenue par dynamique moléculaire à l’échelle du monocristal, en calculant les constantes de forces d’ordre 2, 3 et 4[1], mais l’effet de défauts comme les défauts induits par l’irradiation (boucle d’irradiation, amas de lacunes) voire même des joints de grains (céramique avant irradiation) restent difficiles à évaluer de façon couplée.
L’ambition de ce travail est d’inclure des défauts dans des supercellules et de calculer leur effet sur les constantes de force. En fonction de la taille des défauts considérés nous utiliserons soit la DFT soit un potentiel empirique ou numérique pour effectuer la dynamique moléculaire. AlmaBTE permet de calculer la diffusion des phonons par des défauts ponctuels [2] et le calcul de la diffusion des phonons par les dislocations et leur transmission à une interface ont aussi été récemment implémentés. Ainsi, le chaînage calculs atomistiques / AlmaBTE permettra de déterminer l’effet de la miscrostructure polycristalline et des défauts d’irradiation sur la conductivité thermique. A l’issue de ce post-doc, les propriétés obtenues seront utilisées dans les outils de simulation existants afin d’estimer la conductivité d’un élément de volume (effet additionnel de la microstructure notamment du réseau poreux, méthode FFT), donnée qui sera enfin intégrée dans la simulation du comportement de l’élément combustible sous-irradiation.
Le travail s’effectuera au sein du Département d’Études des Combustibles du CEA, dans un environnement scientifique caractérisé par une grande expertise sur la modélisation des matériaux, en collaboration étroite avec d’autres équipes du CEA à Grenoble et en région parisienne expertes des calculs atomistiques. Les résultats
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.