Optimisation des scénarios de transition énergétique par une approche dynamique de l’Analyse de Cycle de Vie
La modélisation de la transition énergétique, avec une projection jusqu’en 2050 et adaptable à différents pays ou stratégies, est complexe en termes d’ACV car elle fait intervenir de nombreux paramètres :
- une dizaine d’énergies possibles, avec des inventaires évolutifs de construction des infrastructures de production/stockage d’électricité
- une évolution délicate à estimer des technologies pour une filière donnée
- une production d’électricité en adéquation avec la consommation nationale, pouvant prendre des trajectoires très variées
- des scénarios très contrastés possibles, incluant des montées en puissance plus ou moins rapides des renouvelables et une baisse temporaire du nucléaire, compensée ou non par des centrales à cycle combiné au gaz
- une nécessité de prévoir plusieurs formes de stockage de l’électricité selon l’importance du parc d’énergies non pilotables, avec des puissances dépendant de la durée de stockage
- la corrélation ou non de la puissance de stockage avec le niveau d’interconnexion des réseaux électriques européens.
Le travail consistera à analyser les inventaires disponibles dans la base Ecoinvent couplée à SimaPro, à les modifier selon les technologies prévisibles pour le moyen terme, à compléter la modélisation en langage Python pour inclure la totalité des paramètres envisagés.
L’objectif est de déterminer les meilleurs trajectoires possibles d’un point de vue environnemental, en s’appuyant sur les « midpoints » puis les « endpoints » pour réduire le nombre d’indicateurs et fournir in fine un outil flexible d’aide à la décision.
modélisation de la cinétique de précipitation de l’uranium en fonction du pH. Application à un réacteur à lit fluidisé
L’usine Orano au Niger (Somaïr) précipite son concentré uranium dans un réacteur à lit fluidisé par ajout d’hydroxyde de sodium. Le concentré obtenu contient environ 6% de sodium qui entraine des pénalités du convertisseur. Orano a effectué en fin d’année 2019 des essais sur un lit fluidisé au laboratoire pour changer le point de fonctionnement de la précipitation et former préférentiellement de l’UO3 via un changement de pH. Pour affiner le pilotage de l’unité industrielle, une modélisation des réactions de précipitation de l’uranium s’avère nécessaire. Le candidat devra proposer et calibrer un modèle de la précipitation compétitive de Na2U2O7 et UO3 basé sur les constantes d’équilibre et des cinétiques des réactions, en fonction du pH au sein du réacteur. En particulier, le modèle devra permettre de comprendre l’impact du pH sur la répartition des deux espèces principales identifiées dans le concentré : Na2U2O7 et UO3. Ce modèle chimique devra servir de donnée d’entrée à un modèle physique existant du réacteur à lit fluidisé. Un élargissement du modèle à d’autres réactifs de précipitation, notamment la magnésie pourrait également être étudié.
Synthèse et caractérisation structurale de phases minérales d’uranium de référence pour l’identification de phases porteuses d’uranium en environnement minier par SLRT.
Dans le cadre d’un projet de recherche collaboratif entre le CEA et Orano, une étude est menée pour détecter et identifier les phases porteuses d’uranium dans les résidus des traitements miniers et les stériles par spectrofluorimétrie laser à résolution temporelle (SLRT). La spectroscopie SLRT est un outil de spéciation permettant de sonder l’environnement chimique local de l’uranyle. Néanmoins, l’identification des phases uranifères au sein d’un échantillon prélevé sur site par SLRT repose sur l’utilisation d’un modèle chimiométrique construit à partir d’une base de spectres de référence. Afin d’enrichir et diversifier la base de spectres de référence la préparation et la caractérisation structurale d’échantillons uranifères synthétiques au sein de trois familles principales s’avèrent nécessaire. Ces familles phases minérales sont les oxyhydroxydes, les sulfates et silicates d’uranyle. L’acquisition des spectres SLRT des phases synthétisées et la mise en évidence de l’impact de la chimie de coordination de l’ion uranyle sur les spectres enregistrés constitue le second volet de ce travail.
Suivi dynamique par diffusion de la lumière du transfert de matière entre phases dans des écoulements multiphasiques
La compréhension et la modélisation des procédés de recyclage étudiés au CEA nécessitent la mesure des propriétés locales et moyennes des écoulements multiphasiques impliqués dans les différents appareils de génie chimique étudiés. La R&D étant en outre généralement basée sur des expérimentations à petite échelle, l’accès à ces grandeurs est bien souvent difficile, et ne doit, bien entendu, pas perturber le système observé. Dans ce contexte les méthodes optiques, associées à une simulation fine des phénomènes physiques d’interactions lumière/matière, sont particulièrement appropriées et font l’objet depuis plusieurs années de développements spécifiques. C’est pourquoi, le DMRC/LGCI étudie, en collaboration avec des partenaires académiques (CNRS/IUSTI), deux techniques interférométriques optiques adaptées à la caractérisation dans les appareils utilisés en R&D procédé : l’HN en ligne et la Réfractométrie Arc-en-Ciel (RAC). Les études antérieures ont montré que l’HN permet une mesure simultanée de la position 3D, de la forme et de la taille, de particules au sein d’un écoulement, y compris en géométries astigmatiques, alors que la seconde donne accès à la taille et à l’indice de réfraction d’une particule isolée ou d’un nuage de particules, ce qui, dans le contexte de l’optique linéaire, est directement liée à leur composition. Ces travaux visent à aller plus loin dans la caractérisation des écoulements multiphasiques avec ces deux techniques en poursuivant trois objectifs principaux: 1) proposer des solutions originales pour caractériser par holographie numérique en ligne le matériau des particules détectées, 2) repenser les méthodes inverses de la réfractométrie arc-en-ciel pour permettre l’étude de nuages de particules de composition variable et les gradients autour d’une goutte sessile, 3) évaluer l’applicabilité de ces différentes solutions sur des systèmes micro fluidiques.
Etude in-situ résolue en temps, par diffraction des rayons X sous rayonnement synchrotron, des évolutions structurales au sein d’un alliage de zirconium oxydé à haute température
Dans certaines situations accidentelles hypothétiques dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisée (REP), la gaine en alliage de zirconium des crayons combustibles, qui constitue la première barrière de confinement des produits radioactifs, peut être exposée durant quelques minutes à de la vapeur d’eau à haute température (jusqu’à 1200°C), avant d’être refroidie puis trempée à l’eau. Le matériau de gainage subit alors de nombreuses évolutions structurales et métallurgiques. Afin d’étudier ces évolutions structurales de façon précise, une première campagne d’expériences a été effectuée sur la ligne BM02 de l’ESRF sur un four prototype permettant de contrôler parfaitement l’atmosphère et la température. Deux taches seront confiées au candidat : continuer et finir les dépouillements de la première expérience (détermination de fraction de phase, de contraintes résiduelles…)et préparer une nouvelle proposition d’expériences complémentaires pour mi 2020.
Etude et réalisation de composites C/SiC
Nous recherchons, pour différentes applications, des matériaux qui possèdent des propriétés mécaniques élevées à haute température (1000°C ou plus) et résistant à l’oxydation. La famille des matériaux Composites à Matrice Céramique (CMC), en particulier les C/SiC, semble la plus pertinente vis-à-vis de notre besoin. Cependant, il est nécessaire de mener des études pour déterminer les solutions les plus performantes parmi la grande variété des types d’architectures fibreuses et des microstructures de matrice possibles, tout en tenant compte des contraintes liées aux procédés disponibles et aux géométries visées. Ces travaux seront menés en relation avec d’autres laboratoires du CEA.
Caractérisations géophysiques de sites de stations sismologiques européennes et contribution à l’élaboration de guides de bonne pratique pour des méthodes non-invasives de caractérisation de sites
Pour que la communauté du génie parasismique puisse utiliser efficacement les enregistrements des mouvements du sol dans le cadre de la maîtrise du risque sismique, il est essentiel de procéder à des caractérisations géophysiques in situ des stations sismologiques. Les méthodes actuelles utilisées pour la caractérisation des sites reposent sur l’enregistrement en réseau des ondes de surface. Ces méthodes déterminent les courbes de dispersion du site (relation entre la vitesse de phase des ondes de surface et la fréquence) avant d’inverser ces courbes pour établir des profils de vitesse des ondes de cisaillement du site (VS) en fonction des profils de profondeur. Les profils VS sont ensuite utilisés pour calculer le paramètre VS30 afin que les ingénieurs puissent s’en servir pour élaborer des modèles de régression de mouvement du sol voire pour estimer directement la réponse sismique spécifique du site. Ces dernières années, un effort important a été entrepris par plusieurs pays pour améliorer l’état des connaissances sur les méthodes de caractérisation géophysique des sites dans le but d’obtenir des caractérisations robustes et cohérentes (VS, VS30, etc.). Il reste encore beaucoup de travail à faire en ce qui concerne la caractérisation des stations des réseaux sismologiques et l’amélioration des méthodes utilisées. Le post-doc participera à l’effort actuel de caractérisation des stations sismiques, ainsi qu’à l’optimisation de leur mise en œuvre : 1/ Le post-doc participera à des campagnes géophysiques de caractérisation de stations sismiques situées en Europe, 2/ Le candidat travaillera à l’optimisation des méthodes mises en œuvre 3/ le candidat sera impliqué dans le projet international COSMOS et assistera ses organisateurs pour la rédaction de ‘guidelines’ pour la mise en œuvre des méthodes géophysiques de caractérisation de sites.
Etude de regime transitoire de dispersion d’hélium pour simuler un relâchement accidentel d’hydrogène d’une pile à combustible
Le CEA et des partenaires industriels souhaitent améliorer leurs connaissances, modèles et moyens de gestion du risque d’un relâchement accidentel d’hydrogène d’une pile à combustible dans un volume partiellement confiné (typiquement un garage individuel). Le post doctorant réalisera l’étude expérimentale de l’écoulement transitoire d’un relâchement d’hélium (fluide simulant) pour différentes configurations : piles à combustible idéalisées avec différents rapports d’aspects et différentes tailles. Des mesures de concentration en hélium seront réalisées à l’aide de catharomètres, complétées éventuellement par des mesures de champs de vitesse (P.I.V). Des moyens de mitigation seront également testés. Enfin les modèles (analytique et/ou simulations numériques) seront comparés aux résultats expérimentaux.
Le post-doctorant sera accueilli dans un laboratoire qui a développé une expertise depuis plusieurs années sur le risque hydrogène, notamment en lien avec les nouvelles technologies de l’énergie (piles à combustible hydrogène). Plusieurs publications paraissent chaque année (thèses, chercheurs). Le travail du post-doctorant s’inscrit dans une collaboration organisme de recherche / industriels.
Science des données pour les matériaux hétérogènes
Pour mieux prédire les propriétés fonctionnelles des matériaux hétérogènes par des démarches basées sur la simulation numérique, il est impératif de fournir des données fiables concernant l’agencement spatial des phases constitutives des matériaux ainsi que leurs propriétés. Dans ce but, de nombreux outils expérimentaux sont couramment employés pour caractériser spatialement les propriétés physiques et chimiques des matériaux, générant des données multispectrales. Un axe de progrès pour une meilleure compréhension des phénomènes est donc la combinaison des différentes données d’imagerie par les techniques de la science des données. L’objectif de ce post-doc est d’enrichir les connaissances matériau, par la découverte/quantification des corrélations dans les données (par exemple établir des liens entre la composition chimique et le comportement mécanique) et de fiabiliser et réduire les incertitudes sur les propriétés, en prenant en compte des informations physiques et chimiques. Des outils logiciels seront mis au point et appliqués a des données d’intérêt acquises sur des matériaux cimentaires ou des couches de produits de corrosion d’objets archéologiques.
Caractérisation structurale, réactivité et propriétés physico-chimiques de suspensions colloïdales de Pu(IV)
Le Pu(IV) présente la propriété d’être fortement sujet aux phénomènes d’hydrolyse et de conduire à la formation de suspensions colloïdales de Pu(IV) extrêmement stables (ou colloïdes intrinsèques). Le manque de connaissances concernant la spéciation et la réactivité de ces colloïdes de Pu nuit à la proposition de modèles fiables permettant de prédire leur comportement dans les systèmes industriels et environnementaux. Le comportement de ces espèces vis-à-vis de la dissolution, de la complexation, ou de l’agrégation a été très peu décrit dans la littérature. Il apparait ainsi essentiel d’étudier et de caractériser les colloïdes de Pu(IV) et notamment leurs propriétés de charges de surface qui assurent leur stabilité et leur interaction avec leur environnement. Ce projet en rupture et inédit dans le domaine du nucléaire vise l’étude et la caractérisation de suspensions colloïdales de Pu(IV) dont la taille, la concentration et le milieu de dispersion peuvent être contrôlés par notre approche. Il comprend : (i) la préparation de suspensions colloïdales de Pu(IV) intrinsèques et l’étude de leur réactivité (sono-)chimique ; (ii) la caractérisation électrophorétique de différentes suspensions colloïdales ainsi que l’étude de leur comportement sous l’influence d’un champ électrique ; (iii) la caractérisation de leurs propriétés structurales multi-échelles par diffusion aux petits et grands angles (SAXS/WAXS) couplée à des mesures EXAFS/XANES (ligne MARS, synchrotron SOLEIL).