Etude des phénomènes rhéologiques à l’œuvre lors de l’enrobage de déchets en matrice vitreuse
Les déchets issus de l'assainissement et du démantèlement présentent une grande diversité en termes de composition chimique et de forme physique. Ils peuvent notamment se présenter sous forme de dépôts solides, de poudres, de boues ou de solutions liquides. Pour les conditionner, l'enrobage avec un liant vitreux semble prometteur en raison de sa température de travail plus basse que les procédés de vitrification classiques.
L'enrobage implique le chauffage du mélange de déchet et d'adjuvant vitreux entre 800 et 1200°C, ce qui nécessite une compréhension approfondie du comportement rhéologique du système en température. Trois axes de recherche seront étudiés au cours de la thèse : l'influence du taux de charge et de la nature de l'adjuvant sur le comportement à l'écoulement, l'étude des mélanges déchet humide-adjuvant pour comprendre le comportement des espèces volatiles, et l'impact de la réactivité entre le déchet et l'adjuvant sur les propriétés du système.
Au final, l’ensemble des connaissances acquises devront permettre, d’une part, d’optimiser le taux de remplissage du conteneur tout en maximisant le taux d’incorporation de déchet et, d’autre part, d’orienter le choix de l’adjuvant vitreux le plus adapté.
Le doctorant bénéficiera des compétences reconnues du laboratoire d’accueil dans le domaine de la rhéologie des systèmes complexes de la basse température (boues, bitumes, ciments) à la haute température (fontes verrières homogènes et cristallisées) et de l’ensemble des moyens de caractérisation nécessaires au bon déroulement de la thèse. L’ensemble de la thèse se déroulera en environnement non nucléaire à l’aide de simulants inactifs.
Le candidat présentera des compétences dans les domaines suivants : rhéologie, matériaux, verres, thermique, travail en équipe et goût pour l’expérimentation. L’ensemble des compétences transverses acquises dans le cadre de ce doctorat pourra être valorisé à terme dans un grand nombre de secteurs faisant appel à la rhéologie de systèmes complexes.
Etude la séparation des isotopes du lithium par laser
Cette thèse concerne l’étude de différentes voies de séparation des isotopes du lithium par laser. Les travaux seront menés à la fois théoriquement et expérimentalement. L’objectif est de déterminer une voie optimale ainsi que ses performances. On vise à obtenir un facteur de séparation isotopique supérieur à 100, alors que les procédés actuels possèdent des facteurs tout juste supérieurs à 1.
Méthodologie et déroulement de la thèse : La thèse se déclinera en 4 axes de recherches.
1-Les schémas de photo-ionisation déjà publiés seront tout d’abord analysés et de nouvelles séquences prometteuses seront recherchées. Ensuite il s’agira de recueillir les données spectroscopiques correspondantes, les données sur les lasers concernés et celles sur le régime d’interaction. Elles devront être analysées, compilées et assemblées. Ceci servira de base pour construire un modèle décrivant l’interaction laser-atome.
2-Des schémas de photo-ionisation prometteurs seront testés expérimentalement et les performances seront mesurées. Un banc d’essai (comprenant des moyens de vaporisation du lithium, des lasers et un spectromètre de masse à temps de vol) sera assemblé puis utilisé à cette fin.
3-Le rendement de séparation sera modélisé, avec un modèle de type mécanique quantique via l’évolution temporelle de la matrice densité par exemple, et l’efficacité en fonction des lasers disponibles sera ensuite examinée.
4-Les résultats expérimentaux seront comparés à ceux obtenus par modélisation afin de déterminer les performances optimales à attendre et leur extrapolation.
Les travaux pourront être publiés dans des conférences et des revues scientifiques après accord du CEA.
Etude des mécanismes d’altération des combustibles irradiés de type MOX en présence de matériau cimento-bentonitique (MREA). Approche expérimentale et modélisation
En France, la solution de référence est le retraitement du combustible irradié et la valorisation de certaines matières comme l’uranium et le plutonium au travers la fabrication du combustible MOX et son recyclage. Cependant, le stockage direct des combustibles (UOX et MOX) en couche géologique profonde est également étudié afin de s’assurer que les concepts de stockage français (Cigéo) sont compatibles avec le combustible irradié comme demandé et inscrit dans le Plan National de Gestion des Matières et des Déchets Radioactifs (PNGMDR). A ce titre, il est essentiel d’étudier les mécanismes d’altération de la matrice des combustibles irradiés en présence de matériaux d’environnement se rapprochant, à l’échelle du laboratoire, du concept actuel de stockage des déchets radioactifs en couche géologique profonde : alvéoles HA creusées dans l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx) dont le chemisage en acier faiblement allié est isolé de l’argilite par un coulis cimento-bentonitique appelé MREA (Matériau de Remplissage de l’Espace Annulaire de l’alvéole). Les objectifs sont multiples : d’une part déterminer quel est l’impact de l’environnement sur les mécanismes d’altération de la matrice du combustible ainsi que sur les relâchements en radionucléides, et d’autre part développer une modélisation géochimique permettant de rendre compte des principaux processus physico-chimiques impliqués. Ces études sont menées au sein de l'installation ATALANTE (DHA) du CEA Marcoule, ou les expériences de lixiviation et les caractérisations des combustibles MOX sont réalisables.
Le système Pd-Rh-Ru-Te-O dans les verres nucléaires et son impact sur les propriétés de conductivité de la fonte
En France, les déchets nucléaires de haute activité sont vitrifiés et forment un matériau vitreux homogène. Cependant, les éléments Pd, Rh et Ru, associés ou non à du Te et de l’O, sont très peu solubles dans le verre et forment des particules dans la fonte et dans le verre.
Le rhodium et le ruthénium peuvent se réduire à l’état métallique lors de l’élaboration des verres. Ils sont alors plus conducteurs et leurs effets sur les propriétés physiques de la fonte peuvent affecter le pilotage industriel du procédé de vitrification. De fait, la connaissance de la spéciation et de la morphologie des éléments du système Pd-Rh-Ru-Te-O est essentielle pour la bonne maîtrise du procédé.
Pour cela, cette thèse sera découpée en 2 approches interdépendantes : une approche par calculs thermodynamique Calphad et une approche expérimentale. L’approche expérimentale aura pour but de comprendre et de quantifier les phénomènes de réduction de (Ru,Rh)O2 et la solubilisation de Ru et Rh dans Pd-Te via des élaborations et des caractérisations (MEB-EDS-WDS, DRX,...) de verres avec platinoïdes. Les résultats acquis permettront d’enrichir une base de données Calphad servant à prédire l’état des platinoïdes dans la fonte verrière lors de l’élaboration à l’échelle industrielle. Dans un second temps, des essais de conductivité électrique haute température seront menés sur les verres précédemment élaborés afin de relier la spéciation de Ru et Rh avec la conductivité électrique des fontes.
Les candidats devront être rigoureux, autonomes et posséder des bonnes capacités de communication et de rédaction. Des connaissances et expériences dans le domaine des verres ou de la thermodynamique seront un plus.
Rhéologie de suspensions concentrées en charges minérales
En tant qu’organisme de recherche dans le domaine du nucléaire et des énergies alternatives, le CEA participe à des études fondamentales mettant en jeu également des suspensions denses. En effet, des particules inorganiques (verre, zéolite, boues, sels ou ciment/sable) suspendues dans un fluide, parfois de très haute viscosité comme le bitume, font parties des systèmes à l’étude pour diverses applications telles que l’optimisation du remplissage de colis de verre (procédé Dem N’ Melt) ou encore de colis cimentaires, où les propriétés d’écoulement sont à optimiser pour garantir une homogénéité des futs de déchets. Outre, la problématique de la reprise (boues historiques), du traitement et du conditionnement de déchets en matrice vitreuse ou bitumineuse, des suspensions concentrées de grains de verre sont à l’étude pour la production de dihydrogène par électrolyse à haute température.
Il s'agira dans un premier de travailler sur des suspensions concentrées modèles et de caractériser leurs propriétés d'écoulement en cisaillement et en compression. Ce mode de sollicitation peut déclencher l’apparition de régimes frictionnels, de séparation de phases liquide/solide, et diverses réponses non-linéaires qu'il s'agira de modéliser. Apres cette première étape, la topologie, la granulométrie et la polydispersité des particules solides seront modifiées pour se rapprocher au plus prêt des suspensions rencontrées dans l'industrie.
Matériaux activés conducteurs pour la conversion énergétique et le stockage de l’énergie par effet capacitif
La production d’énergie à partir de sources renouvelables nécessite des systèmes de stockage efficaces pour pallier les déséquilibres entre offre et demande. Le projet propose de développer des super-condensateurs économiques en utilisant des électrodes composites issues de sous-produits industriels. Les liants minéraux, comme les géopolymères ou les Matériaux Alcali Activés (MAA), rendus conducteurs par dispersion de noir de carbone, sont étudiés pour des applications de stockage d'énergie ou de génération de chaleur. En se basant sur un brevet déposé récemment, nous nous proposons de réaliser une étude approfondie de ces composites conducteurs. Leurs performances seront évaluées en fonction des paramètres de formulation et de mise en forme. Il s’agira également de caractériser finement le réseau poreux et la dispersion des charges conductrices dans le matériau. Enfin, des essais de mise en forme du matériau seront menés et des super-condensateurs seront assemblés, permettant l’étude de l’impact du procédé (impression 3D) et des géométries.
Caractérisation de la fuite gazeuse d’un contact rugueux au chargement et au délestage, application au cas des joints d’étanchéité métalliques
Dans de nombreuses infrastructures industrielles, des joints entièrement métalliques sont utilisés pour garantir une haute étanchéité des assemblages mécaniques en conditions thermodynamiques sévères. Leur performance est entièrement contrôlée par le comportement à l’interface de contact entre les surfaces rugueuses du joint et de la bride en vis-à-vis, assimilable à une fracture multi-échelles anisotrope. L'objectif de la thèse est alors de mieux comprendre et prédire les mécanismes d’obtention et de perte d'étanchéité des gaz en fracture rugueuse par une approche de modélisation couplée à de l’expérimentation.
Le travail se réalise dans la continuité d’études connexes déjà réalisées au laboratoire. Il se concentrera d’abord sur la mise au point d’un dispositif expérimental permettant la mise en contact de surfaces rugueuses métalliques avec un effort donné et la mesure conjointe de la fuite, au chargement du contact comme au délestage, afin de mettre en évidence et caractériser le phénomène d’hystérésis apporté par le déformation permanente de la matière au cours de la première compression. Les résultats obtenus seront comparés aux modèles numériques du laboratoire dans différentes configurations, afin de valider ces derniers. S’il apparaît que le calcul d’écoulement est bien maîtrisé, des écarts persistent dans le modèle de contact mécanique. Il devra alors être amélioré en termes de prise en compte des effets de plasticité propres au contact, de l’épaisseur finie du revêtement d’étanchéité et l’optimisation du temps de calcul. Les résultats seront ensuite transposés à un cas industriel de joint d’étanchéité HELICOFLEX, en développant une stratégie de modélisation à deux échelles, couplant l’information macroscopique à l’échelle du joint avec celle à l’échelle des rugosités.
Modélisation simplifiée de la calcination en tube tournant
Dans le cadre du retraitement des combustibles usés de type uranium oxyde, les déchets liquides ultimes de haute activité sont conditionnées dans des verres par un procédé en deux étapes, calcination puis vitrification. La calcination transforme progressivement le déchet liquide en un résidu sec, qui est mélangé à un verre préformé dans un four de fusion. Le calcinateur est constitué d’un tube tournant chauffé par un four à résistances. Les solutions calcinées sont constituées d’acide nitrique et de composés sous leur forme nitrate ou d’insolubles sous forme d’alliages métalliques. Dans l’objectif d’améliorer la maîtrise du pilotage du calcinateur, il est proposé de le modéliser.
La modélisation va consister à créer puis coupler trois modèles :
• Un modèle thermodynamique permettant de représenter les transformations subies par la matière. Cette partie fera très certainement appel à des mesures ATD et ATG, couplées très certainement à une démarche de type plan d’expériences (1ère année).
• Un modèle d’écoulement de la matière. Il existe déjà dans la littérature des principes de représentation très simplifié d’écoulement dans un calcinateur en tube tournant, mais il faudra faire preuve d’innovation notamment en définissant des tests pour caractériser l’écoulement de la matière au cours du processus de calcination (2ème année).
• Un modèle thermique qui prendra en compte les échanges entre le four et le tube du calcinateur mais également les échanges entre la matière et le tube. Des caractérisations de coefficients d’échanges devront être réalisées(1ère année).
Le couplage de ces trois modèles (3ème année) donnera naissance à une première modélisation simplifiée de la calcination. Ce modèle sera utilisé pour aider au pilotage de l’étape de calcination mais également pour former les opérateurs au pilotage de cet appareil.
Vous évoluerez au sein du LDPV, une équipe pluridisciplinaire (procédé, chimie, mécanique des fluides, modélisation, mécanique, induction) composée de 16 ingénieurs et techniciens. Equipe de 30 ans d’expérience en procédé de vitrification reconnue au niveau national et international
Révolutionner l'intervention en milieux complexes : L'IA et les Jumeaux numériques en synergie pour des solutions innovantes et efficaces.
Contexte scientifique
L’exploitation d’équipements complexes, notamment dans le secteur nucléaire, repose sur l’accès rapide et sécurisé à des données hétérogènes. Les avancées en IA générative, combinées aux Jumeaux Numériques (JN), offrent des solutions innovantes pour améliorer les interactions humain-système. Cependant, l’intégration de ces technologies dans des environnements critiques nécessite des approches adaptées pour garantir intuitivité, sécurité et efficacité.
Travail proposé
Cette thèse propose de développer une architecture d’IA générative enrichie par des données métiers et accessible via la réalité mixte, permettant à un opérateur de boite à gants de poser des questions en langage naturel. Les travaux incluent :
1. Une revue de l’état de l’art sur la génération augmentée (RAG), les technologies ASR/TTS et les JN.
2. Le développement et l’intégration d’un chatbot pour l’exploitation nucléaire.
3. L’évaluation des interactions humain-IA et la définition de métriques d’efficacité et d’adoption.
Résultats attendus
Le projet vise à améliorer la sécurité et la productivité grâce à une interaction optimisée et à proposer des guidelines pour l’adoption de ces systèmes dans des environnements critiques.
Optimisation par Intelligence Artificielle de la Caractérisation In-Situ des Radionucléides Bêta Purs en Milieux Complexes
Avant, pendant, après… la caractérisation de l’état radiologique est essentielle à toutes les étapes du scénario de démantèlement d’une installation nucléaire. Peut-on intervenir directement sur place ou faut-il prévoir de la téléopération ? La contamination d’une zone a-t-elle été complètement éliminée ? Dans quelle catégorie classer tel ou tel déchet nucléaire afin d’optimiser sa gestion future ?
Les mesures nucléaires non destructives in-situ ont pour objectif d’évaluer en temps réel l’état radiologique des procédés et équipements d’une installation, tout en répondant à des critères d’efficacité, de sûreté, de flexibilité et de fiabilité et en réduisent les coûts grâce à des analyses rapides, précises et non invasives. Si les techniques de caractérisation des émetteurs gamma sont bien maîtrisées, celles des émetteurs bêta purs restent un défi de taille en raison du faible parcours des électrons dans la matière et du bruit gamma ambiant qui rend la détection in-situ particulièrement complexe.
L’intégration d’outils d’intelligence artificielle (IA), tels que le machine learning ou le deep learning, dans ce domaine ouvre de nouvelles perspectives. Ces technologies permettent d’automatiser l’analyse de grandes quantités de données tout en extrayant des informations complexes difficiles à interpréter manuellement, notamment pour déconvoluer des spectres continus de rayonnements bêta. Les premiers résultats obtenus dans le cadre de la thèse de L. Fleres, ont montré que l’IA peut prédire et quantifier efficacement les radionucléides émetteurs bêta présents dans un mélange. Bien que prometteuse, cette approche testée en conditions de laboratoire, doit encore être qualifiée dans des conditions réelles de terrain.
La thèse proposée vise à poursuivre et perfectionner ces développements. Elle consistera à intégrer de nouveaux algorithmes, d’explorer diverses architectures de réseaux neuronaux, et d’enrichir les bases de données d’apprentissage afin d'améliorer les performances des systèmes actuels pour la caractérisation in-situ des émetteurs bêta. Cela inclura des scénarios où le rapport signal/bruit gamma est défavorable, ou encore la détection de faibles niveaux d’activité en présence de radioactivité naturelle. D'autres axes de recherche incluront la détection des radionucléides à faible énergie et l'adaptation des outils de déconvolution à des détecteurs de grande surface.
La méthodologie de caractérisation développée à l’issue du projet présentera un fort potentiel de valorisation industrielle en particulier dans le domaine de l’assainissement et du démantèlement. Le doctorant intégrera une équipe disposant d’une riche expérience dans la mise en œuvre de techniques et méthodes de caractérisation radiologique non destructive in-situ et aura l’opportunité d’évaluer les solutions proposées sur des chantiers de démantèlement parmi les plus importants au monde.
Profil recherché : Le profil recherché est un(e) candidat(e) issu(e) d’une école d’ingénieurs ou d’un MASTER M2 avec de bonnes connaissances en mesure nucléaire en particulier des phénomènes physiques liés aux interactions des rayonnements ionisants avec la matière. Des compétences vis-à-vis des méthodes statistiques de traitement de données et en programmation informatique (Pyhton, C++) seraint également appréciées.