Couplage physico-chimique entre une population de bulles et l’oxydo-reduction d’un liquide formateur de verre
Le procédé de calcination-vitrification est la solution utilisée en France depuis plus de 30 ans pour le conditionnement des déchets nucléaires de haute activité issus du retraitement des combustibles usés. Au cours du procédé de vitrification, les déchets sont incorporés dans une fonte verrière borosilicatée à plus de 1000°C. La fonte est homogénéisée en température et composition par agitation et bullage de gaz. L’incorporation des déchets dans la fonte peut également conduire à des dégagements gazeux, dont ceux d’oxygène issus de réactions d’oxydo-réduction entre espèces dissoutes dans le liquide. Il est important de bien maîtriser l’impact de ces gaz sur le verre et le procédé.
L’état d’oxydo-réduction de la fonte à l’équilibre entre les espèces dissoutes a fait l’objet de différentes études au CEA dans le cadre la vitrification des déchets nucléaires. En revanche, peu d’études ont été consacrées à la cinétique de réaction des gaz dans la fonte. L’objectif de cette thèse vise à étudier et à modéliser l’impact des bulles de gaz, quelle que soit leur nature, sur le redox de la fonte et la cinétique des réactions associées. Une approche couplant l’expérimentation et la modélisation numérique sera adoptée.
Le candidat recherché aura un goût pour l’expérimentation, la caractérisation et l’interprétation de résultats abordant différents domaines scientifiques (physico-chimie des matériaux, électrochimie). L’ensemble des expériences seront conduites sur des éléments non radioactifs et impliqueront un traitement par modélisation numérique. Cette thèse lui permettra d'acquérir une expérience professionnelle valorisable dans le milieu des verres et du nucléaire.
Développement d’algorithmes de Machine Learning pour l’amélioration de l’acquisition et du traitement des images en imagerie radiologique
Le Laboratoire de Mesures Nucléaires du LNPA ( Laboratoire d'étude des technologies du Numérique et des Procédés Avancés) de Marcoule est constitué d’une équipe spécialisée dans les mesures nucléaires de terrain. Ses activités sont réparties entre le développement de système de mesures et l'expertise technique auprès d'installations du CEA ou de partenaires externes (ORANO, EDF, AIEA).
Le LNPA développe et utilise des imageurs radiologiques (gamma et alpha) depuis plusieurs années. Certains des développements réalisés ont donnés lieu à des produits industriels et d’autres imageurs sont toujours en cours de développement et d’amélioration. L’imagerie alpha, en particulier, est un procédé qui permet de déceler des zones de contamination alpha à distance. La localisation du terme source alpha est une étape importante en boîte à gants que ce soit pour un projet d’assainissement et de démantèlement, pour la maintenance en exploitation ou pour la radioprotection des travailleurs. L’alpha caméra est l’outil qui rend accessible la cartographie alpha à distance et depuis l’extérieur des boîtes à gants.
L'objectif de la thèse est de développer et mettre en place des solutions mathématiques de prédiction et de débruitage pour améliorer l'acquisition et le post-traitement d'images radiologiques, et, en particulier, d'images alpha caméra.
Deux axes de recherche principaux seront approfondis :
- Le développement d'algorithme de débruitage d'image en temps réel ou en post-traitement
- Le développement d'algorithme prédictif pour générer des images à statistique élevées sur la base d'échantillons d'images réelles.
Pour ce faire une base de données expérimentale et par simulation sera à établir afin d'alimenter les algorithmes IA.
Ces deux axes de recherche seront concrétisés par la réalisation d’un prototype d’imageur intégrant les fonctionnalités de Machine Learning, une interface d’acquisition et de traitement d’image, qui sera utilisé lors d’une mise en œuvre expérimentale.
A travers cette thèse l’étudiant se forgera de solides connaissances en mesures nucléaires, interaction rayonnement/ matière, traitement d’images scientifiques et aura une vision précise des besoins radiologiques dans le cadre des chantiers d’assainissement / démantèlement.
Propriétés physico-chimiques des verres photovoltaïques (PV) contenant de l'antimoine (Sb)
La thèse proposée s’inscrit dans le cadre du projet ANR GRISBI (2026-2030), qui vise à optimiser le recyclage du verre présent dans les panneaux photovoltaïques. Ces verres, très majoritairement fabriqués en Chine, sont dopés en oxyde d’antimoine (Sb2O3) afin de garantir une bonne transparence du verre, tout en minimisant les coûts de production. Cependant, cet antimoine empêche le recyclage de ces verres dans l’industrie européenne du verre plat, qui aurait pourtant besoin de cet apport de matière secondaire pour réduire son impact environnemental, entre-autres ses émissions de gaz à effet de serre (cf. l’objectif de neutralité carbone fixé par les Accords de Paris en 2015). Afin de rendre possible le recyclage du verre PV dans l’industrie du verre plat, il est donc nécessaire de mieux comprendre les propriétés physico-chimiques de l’antimoine dans le verre, et plus généralement dans le procédé float, qui met en jeu une interface verre chaud / étain liquide.
L’enjeu de la thèse réside ainsi dans la détermination des équilibres redox entre les différentes espèces multivalentes présentes dans les verres PV, en particulier entre les couples Sb2O3/Sb et Fe2O3/FeO. L’étude consistera donc à élaborer des verres présentant différentes teneurs en Sb2O3, puis à déterminer les mécanismes d’incorporation de l’antimoine dans les verres, ainsi que les conditions de température et de pO2 conduisant à la réduction de Sb3+ en Sb0. Les résultats expérimentaux, basés sur des caractérisations matériaux de type MEB, DRX, EXAFS, XANES, permettront de compléter les bases de données thermodynamiques, et de proposer une méthodologie permettant le recyclage des verres PV dopés à l’antimoine dans la production de verre plat.
La thèse se déroulera au CEA Marcoule, en collaboration avec l’IMPMC (Sorbonne Université), deux laboratoires dont les expertises dans le domaine des matériaux vitreux sont reconnues à l’international. L’ensemble des travaux sera réalisé sur des verres élaborés par le(la) doctorant(e), et leur caractérisation s’appuiera principalement sur les outils disponibles au sein du CEA et de l’IMPMC. Un profil en Sciences des Matériaux est recherché. Le sujet permettra au doctorant de pouvoir valoriser in fine un parcours de recherche appliquée.
Navigation Multicritères d’un Agent Mobile appliquée à la robotique d’investigation nucléaire
Dans les environnements dangereux ou inaccessibles à l’homme, la robotique mobile joue un rôle essentiel pour assurer l’inspection, l’intervention et la collecte de données. Cependant, naviguer dans ces milieux complexes ne consiste pas seulement à éviter les obstacles : les robots doivent aussi composer avec des zones sans réseau, des sources de contamination, des contraintes énergétiques et des cartes incomplètes. Une première thèse (2023-2026) a introduit une méthodologie de navigation multicritères fondée sur la superposition cartographique et l’agrégation pondérée de contraintes, démontrant la faisabilité d’une planification adaptée en environnement statique simulé.
La thèse proposée visera à étendre cette approche aux environnements dynamiques et partiellement inconnus, nécessitant une prise de décision adaptative en temps réel. Le travail s’appuiera sur des outils de robotique mobile, de fusion de données et d’intelligence décisionnelle, ainsi que sur des moyens expérimentaux permettant des validations réalistes. L’objectif est de rapprocher la navigation robotique des conditions réelles rencontrées dans les chantiers de démantèlement nucléaire, et plus largement dans tous les environnements industriels à risque. Cette thèse offrira au doctorant(e) un environnement de recherche actif, des collaborations pluridisciplinaires et des perspectives solides dans les domaines de la robotique autonome et de la sûreté d’intervention.
Origines et conséquences de l’altération hétérogène des verres nucléaires
Cette thèse porte sur l’étude du comportement à long terme des verres nucléaires utilisés pour confiner les déchets radioactifs à vie longue.
En milieu aqueux, ces verres s’altèrent généralement de manière homogène : la transformation en produits d’altération se fait à vitesse régulière sur toute la surface.
Cependant, il existe aussi des cas d’altération hétérogène, où l’interface verre/gel devient irrégulière, créant des piqûres ou des cavités.
Deux grandes questions se posent alors : quels sont les mécanismes responsables et quelles en sont les conséquences sur la durabilité du verre ?
Plusieurs pistes sont évoquées dans la littérature, comme les fluctuations locales de composition de la solution ou l’état de contrainte mécanique de la surface, mais il n'existe pas d'explication définitive.
L’approche proposée ici combine des expériences accélérées associées à des caractérisations (chimie, mécanique, structure), ainsi que la modélisation (par ex. modèles mésoscopiques et Monte Carlo).
Les expériences utiliseront des verres présentant des états de surface variés (polis, irradiés, fissurés…) et des outils analytiques comme le MEB, le MET ou la nanoSIMS.
Une fois les mécanismes identifiés, il sera possible d’évaluer l’impact de ces altérations hétérogènes sur le long terme.
Le projet recherche un profil en chimie ou science des matériaux, avec goût pour la modélisation et solides bases théoriques.
Potentialités des liants silico-magnésiens pour le conditionnement de terres contaminées
La contamination des sols par des substances radioactives constitue un enjeu majeur en matière de santé publique et de protection de l’environnement. Parmi les différentes stratégies envisageables pour la gestion de ces sols pollués, l’excavation des matériaux contaminés ouvre la voie à une réutilisation sécurisée du site. Les terres ainsi extraites, lorsqu’elles sont de faible ou moyenne activité à vie courte, doivent être stabilisées avant leur stockage. Dans ce contexte, le procédé de cimentation est apprécié pour son coût modéré, sa simplicité de mise en œuvre et sa capacité à confiner de nombreux polluants. Toutefois, son application aux sols riches en argile gonflante présente deux limites majeures : une mauvaise ouvrabilité du matériau à l’état frais, et une instabilité volumique à l’état durci. Face à ces contraintes, la thèse propose d’évaluer le potentiel des ciments silico-magnésiens comme alternative aux ciments silico-calciques traditionnels. Ces nouveaux liants suscitent à l’heure actuelle un intérêt croissant, notamment pour la construction en terre crue et le développement de matériaux à faible empreinte carbone.
Dans un premier temps, l’objectif sera d’étudier l’influence de différents paramètres de formulation sur la réactivité et les propriétés des ciments silico-magnésiens. Une étude approfondie des interactions entre les phases cimentaires et les principaux constituants des sols contaminés sera ensuite menée. Enfin, la durabilité des matériaux formulés sera investiguée au moyen d’essais de lixiviation qui alimenteront une modélisation couplée chimie – transport, visant à mieux comprendre les mécanismes de dégradation de ces matériaux et leur évolution à long terme.
Ce projet de recherche s'adresse à un doctorant souhaitant approfondir ses compétences en physico-chimie des matériaux, et contribuer à des solutions innovantes pour la gestion des sols pollués et le développement de liants à faible impact environnemental.