ELABORATION DE MONOLITHES INORGANIQUES FONCTIONNALISES PAR DES NANOPARTICULES

Depuis sa création en 2008, l’Institut de Chimie Séparative de Marcoule (ICSM) et plus particulièrement le Laboratoire des Nanoparticules pour l’Energie et le Recyclage (LNER) a acquis une compétence de synthèse et de caractérisation des matériaux poreux (BET, MEB, MET, SAXS). Notamment, la voie de synthèse de monolithes de silice à porosité hiérarchisée (mésoporeux et macroporeux) utilisant une émulsion d’huile dans de l’eau est maintenant bien maîtrisée. Ce contrat post-doctoral est destiné au développement de l’étape suivante de fonctionnalisation de ces matériaux pour les rendre pertinents au regard de multiples applications.
La voie de synthèse originale de ces monolithes, et notamment l’élaboration d’une émulsion dans le mode opératoire, permet d’envisager des méthodes de fonctionnalisation innovantes. Il serait ainsi très prometteur d’utiliser l’interface séparant les phases aqueuse et organique pour y placer des nanoparticules (NP) d’intérêt. Dans le cas qui nous intéresse le but est de préparer une émulsion à haute teneur en phase interne (>50%vol) stabilisée à la fois par des tensioactifs (nécessaire pour la mésoporosité) et par des NP d’intérêt pour fonctionnaliser la macroporosité. Les NP sont choisies pour couvrir les applications de décontamination des effluents (zéolithe, nonatitanate, clathtrate).

Evolution des couches superficielles résultant des interactions physico-chimiques entre bétons bas pH et argiles : expérimentations et simulations

La conception d’une installation industrielle de stockage de déchets radioactifs en milieu géologique est un enjeu important pris en compte dans la filière énergétique nucléaire française. Dans ce contexte les matériaux cimentaires occupent une place importante (colis, structures).
L’objectif principal de l’étude proposée est de caractériser les altérations des matériaux mis en contact dans le stockage (interface béton-argile), provoquées par les sollicitations chimiques qu’ils s’infligent mutuellement. Au stade actuel, une approche globale a été enclenchée prenant en compte simultanément la chimie du site de stockage et les bétons envisagés pour cette application à base de ciments commerciaux ou de liants innovants (bas pH) formulés spécifiquement. Sur ces matériaux bas pH en particulier, des questions subsistent quant à leurs évolutions minéralogiques et microstructurales dans le temps. Un programme expérimental bien ciblé (essais dédiés, caractérisations microscopiques), complété par des simulations numériques, permettra de consolider les connaissances indispensables en vue d’une utilisation de ces matériaux.
Ce projet fera intervenir à la fois des spécialistes des matériaux cimentaires du CEA, ainsi que des chercheurs du laboratoire Hydrasa de l’Université de Poitiers.

Matériaux cristallins pour l’extraction sélectives de cations métalliques monovalents : compréhension du lien entre structure cristalline et sélectivité

L’extraction sélective de cations métalliques monovalents de solutions aqueuses de compositions complexes est une étape clé dans de nombreux domaines liés à l’énergie. Au cours de cette étude, des adsorbants spécifiques pour le Cs, en vue d’une décontamination d’effluents produits par l’industrie nucléaire, et pour le Li, afin de pouvoir extraire et récupérer ce métal stratégique pour le développement de batteries, seront étudiés. De par leur modularité en terme de porosité et de structure, les oxydes cristallins (type zéolithe) sont prometteurs pour extraire sélectivement de tels cations. Afin de comprendre le rôle de leur microstructure sur leurs performances et mécanismes de sorption/désorption, il est important de pouvoir identifier les sites de sorption sélectifs au sein de ces structures cristallines.
L’objectif de ce travail de recherche est ainsi, d’une part, de synthétiser des structures cristallines permettant la sorption sélective du Cs ou du Li. Puis, grâce à des caractérisations fines à l’échelle atomique ainsi que des travaux de reconstruction de structures, nous allons chercher à identifier la localisation des sites sélectifs de sorption au sein de ces matériaux et, de cette manière, mieux comprendre leurs mécanismes et propriétés de sorption.
Pour ce contrat post-doctoral, nous recherchons un docteur en science des matériaux possédant de fortes compétences en synthèse et en caractérisation de matériaux cristallins par diffractions des rayons X. Une expérience sur l’étude d’oxydes cristallins, type zéolithe, serait un plus.

Analyse dynamique non-linéaire d’une structure en béton armé sous sollicitations sismiques : Etude déterministe et probabiliste des spectres de plancher

L’étude qui est proposée s’appuie sur la campagne ENISTAT et comporte trois axes de travail :

1. Calibration (5 mois)
Le candidat devra, dans un premier temps, s’approprier le modèle aux éléments finis de maquette qui a été développé en phase d’avant projet. Sur la base des résultats expérimentaux, les éventuelles sources d’écart entre les résultats numériques initiaux et expérimentaux devront être identifiées en vue de mieux calibrer le modèle.

2. Étude déterministe et probabiliste des spectres de plancher (5 mois)
Sur la base du modèle calibré, les spectres de planchers pourront être déterminés. Ces derniers seront confrontés aux spectres de demande issus des textes normatifs, tels que l’Eurocode 8. Enfin, en s’appuyant sur des méthodes issues de la théorie de la fiabilité, les incertitudes qui entachent non seulement les paramètres d’entrée du modèle mais aussi les signaux d’excitation seront prises en compte et la variabilité des spectres de planchers pourra être quantifiée. Cette donnée est particulièrement essentielle dans un contexte de dimensionnement et de retombées au niveau de l’ingénierie parasismique.

3. Étude de la tenue au séisme des rupteurs thermiques (2 mois)
Sur la base des résultats, non seulement expérimentaux mais aussi numériques, une discussion sur l’effet des rupteurs thermiques sur la tenue globale de la structure au séisme sera réalisée.

Il peut être noté que l’ensemble de ces recherches s’inscrit pleinement dans le cadre de la feuille de route de l’institut SEERA (ex. IMRS) dont le CEA est membre fondateur.

Modélisation de l’électroraffinage d’actinides

Dans le cadre du projet européen SACSESS et en collaboration avec l’ITU et le CNRS, le Laboratoire d’Elaboration des Procédés de Séparation (LEPS) du DRCP/SMCS étudie actuellement un procédé pyrométallurgique de retraitement des combustibles nucléaires usés par électrolyse.

Le sujet de post-doc proposé vise dans un premier temps à développer des modèles rendant compte de ce procédé sur la base de résultats de tests successifs d’électroraffinage déjà obtenus à l’ITU en électrolysant un alliage métallique U-Pu-Zr-Am-Gd-Nd-Ce-Y sur une cathode d’aluminium. Le but de la modélisation sera d’évaluer les potentialités de ce procédé en termes d’efficacité de séparation mais aussi d’optimiser la gestion des flux de matière nucléaire.

Réduction de modèle en dynamique vibratoire : application au génie parasismique

La complexité et la finesse des modèles numériques mis en oeuvre pour prédire le comportement des structures soumises à des sollicitations sismiques imposent bien souvent des temps de calculs de plusieurs jours pour la résolution des équations aux dérivées partielles du problème de référence.
En outre, l’étude des marges, les méconnaissances sur les paramètres constitutifs, les analyses stochastiques ou encore le recalage des modèles impose généralement de fournir cet effort numérique, non plus pour la simulation d’un seul modèle, mais d’une famille de modèles.
Afin de diminuer les temps de calculs, des techniques de réduction de modèle (Proper Orthogonal/Generalized Decomposition) peuvent être envisagées. La présente étude post-doctorale propose de définir et mettre en oeuvre (notamment dans CAST3M) une technique adaptée pour la réduction de modèles de génie civil (type béton armé) soumis à des chargements sismiques.

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.

Modélisation de la cinétique des amas de défauts interstitiels dans les métaux CC après l’implantation d’hélium.

Les matériaux de structure des réacteurs nucléaires subissent des conditions d’irradiation sévères qui peuvent modifier leurs propriétés mécaniques. Afin de pouvoir suivre la cinétique atomique qui mène à des structures complexes responsables du vieillissement de matériaux, il faut se tourner vers la simulation numérique. Dans le cadre de l’ANR EPIGRAPH nous allons combiner les techniques expérimentales et les calculs numériques pour mieux caractériser la cinétique des défauts interstitiels dans les métaux cubiques centrés. Nous avons récemment proposé une nouvelle structure tridimensionnelle périodique pour les amas d’interstitiels dans les métaux de structure cubique centrée, par opposition à la morphologie classique de la boucle bidimensionnelle [1]. La structure cristalline sous-jacente correspond à la phase de Laves C15. Ils se forment directement dans les cascades de déplacements et peuvent croître en capturant des auto-interstitiels. Afin de détecter ces amas expérimentalement, une idée est de les faire grandir après implantation d’hélium [2]. Cette démarche sera réalisée dans divers métaux CC dans le cadre du projet ANR EPIGRAPH, en collaboration avec Chimie ParisTech, GEMaC et LPS.
Dans ce projet, la tâche de modélisation comporte deux directions:
- Les calculs ab-initio, effectués par le postdoc, vont apporter les informations atomistiques sur la croissance des défauts d’irradiation.
- Les résultats des calculs ab-initio seront ensuite utilisés pour paramétrer un modèle cinétique basée sur la dynamique d’amas [3]. Ce formalisme est particulièrement bien adapté pour simuler l’évolution des amas de défauts sur de temps longs.
Le travail de modélisation sera réalisé en étroite collaboration avec la partie expérimentale.
[1] M. C. Marinica, F. Willaime, J.-P. Crocombette, Phys. Rev. Lett. 108 (2012) 025501
[2] S. Moll, T. Jourdan, H. Lefaix-Jeuland, Phys. Rev. Lett. 111 (2013) 015503
[3] T. Jourdan, G. Bencteux, G. Adjanor, J. Nucl. Mater. 444 (2014)

Synthèse et caractérisation de ligands amino-phosphorés pour l’extraction de l’uranium en milieu sulfurique par un procédé « liquide/liquide »

Le développement de nouveaux extractants plus performants que ceux actuellement utilisés constitue donc un enjeu important pour l’industrie minière de l’uranium. En particulier, l’accès à des systèmes chélatants particulièrement affins de l’uranium tout en étant plus sélectifs vis-à-vis des ions compétiteurs et moins sensibles à l’hydrolyse reste un défi à relever.
Récemment, de nouvelles molécules bifonctionnelles du type amio-oxyde de phosphine ont démontré leur utilité pour l’extraction de l’uranyle des milieux sulfuriques avec d’excellentes propriétés en termes d’affinité et de sélectivité pour le métal.
L’objectif de ce stage postdoctoral sera d’optimiser cette famille de ligands, par la mise au point de voies de synthèses rapides, efficaces et adaptées à la préparation de quantités suffisantes d’extractant pour des études approfondies visant à optimiser le procédé

Post-doc : réseau de neurones CNN - gestion des incertitudes dans la base de données d'apprentissage

L'objectif de ce postdoc est de développer un algorithme pour prendre en compte les incertitudes des données de la base d'apprentissage d'un réseau de neurones. Ce travail s'inscrit dans le contexte d'un projet d'estimation dynamique de l'état d'un procédé d'extraction liquide-liquide. En utilisant un simulateur qualifié du procédé et des mesures de suivi lors de son exploitation, il est possible d'estimer les paramètres opératoires et connaitre ainsi l'état du procédé. Cependant ces mesures sont entachées d'incertitudes et il est nécessaire de réconcilier les données pour obtenir le meilleur jeu de données à fournir au simulateur. Un réseau de neurone convolutifs (CNN) permettant d'inverser le simulateur est en développement (à partir des sorties mesurées, on peut être capable d'estimer les entrées à fournir au simulateur). L'objectif est d'évaluer l'impact des incertitudes de mesure sur la construction de ce réseau de neurones. La première étape sera de propager les incertitudes des mesures d'entrée à travers le simulateur à l'aide de la plateforme Uranie, développée par le CEA ISAS. Cette connaissance sera alors intégrée dans la boucle d'apprentissage du réseau de neurones. L'impact de ces incertitudes sur les résultats du réseau de neurones doit être évalué pour fiabiliser l'estimation de l'état du procédé par le réseau de neurones. A travers ce projet, nous sommes au cœur de la thématique du contrôle de procédés complexes par la simulation.