Etude expérimentale de la convection naturelle diphasique et des régimes de vaporisation en piscine de refroidissement d'une installation nucléaire
L’énergie nucléaire, faiblement émettrice en CO2, est l’un des acteurs majeurs de la transition énergétique française. Dans ce contexte, la maîtrise du refroidissement des éléments combustibles irradiés est un sujet de première importance. Ce sujet de thèse porte sur les écoulements de convection naturelle diphasique et les phénomènes de vaporisation pouvant se développer dans les bassins de refroidissement d’installations nucléaires, en particulier ceux présentant une variation verticale significative de la température de saturation du réfrigérant du fait de leur grande profondeur. Ces bassins sont utilisés pour dissiper la chaleur résiduelle des combustibles dans divers types de réacteurs nucléaires du parc actuel ou en projet. En situation accidentelle avec un fort dégagement de chaleur par les combustibles, l’eau de ces bassins peut se vaporiser, limitant à terme leur capacité de refroidissement. Parmi les mécanismes de changement de phase possibles dans des bassins de grande profondeur figure l'auto-vaporisation gravitaire, un phénomène que l’on retrouve dans divers systèmes naturels ou industriels assimilables à des canaux verticaux chauffés par le bas. Pour autant, le phénomène a été peu étudié dans la configuration spécifique d’un bassin et n’a été mis en évidence dans cette dernière que très récemment. Ainsi, l'objectif de cette thèse est de mieux comprendre le phénomène, ainsi que la turbulence induite au sein du réfrigérant par les bulles qu’il génère, afin d'améliorer les modèles thermohydrauliques à l’état de l’art permettant de simuler de tels bassins. Les travaux envisagés, de nature expérimentale, se dérouleront en collaboration avec l'Université catholique de Louvain (UCLouvain, Belgique) et le laboratoire LEGI du CNRS Grenoble, avec une grande partie de la recherche menée à l’UCLouvain. Le candidat sera rattaché au Laboratoire de Thermohydraulique du Cœur et des Circuits (LTHC) du CEA IRESNE, spécialisé dans l’étude des écoulements diphasiques en installation nucléaire. Au cours de la thèse, des données expérimentales finement résolues en temps et en espace seront acquises et interprétées, concourant à une meilleure compréhension du phénomène. Pour ce faire, des techniques avancées de stéréo-vélocimétrie par images de particules (PIV 3D) en milieu diphasique, de thermométrie et d’ombroscopie seront mises en œuvre. Lors de ce projet de thèse, le doctorant pourra développer ses compétences dans le domaine de la thermohydraulique expérimentale par la définition, la réalisation, l’interprétation d’essais et l’utilisation de moyens de mesure d’écoulements diphasiques avancés.
Pronostic de salissures des modules PV via la modélisation de l'environnement réel et la fusion de données
Les centrales photovoltaïques (PV) notamment celles installées dans des zones sujettes aux salissures, telles que les régions sèches, ainsi que les sites marins et agricoles, peuvent subir des pertes énergétiques allant jusqu'à 20 à 30 % par an. Cela représente des pertes financières dépassant 10 milliards d'euros en 2023.
Cette Thèse vise à développer une méthode robuste et complète pour prédire l’accumulation de salissures des modules/systèmes PV, en combinant la modélisation de l’environnement réel et les données opérationnelles PV (électriques, thermiques, optiques). La Thèse sera réalisée dans une approche ascendante en trois étapes :
1. Niveau composant/module PV : Reproduction et modélisation de l’accumulation de salissures en laboratoire, suivies d’une validation expérimentale. Ce travail s’appuiera sur les compétences du CEA en modélisation des mécanismes de dégradation, y compris les tests accélérés.
2. Niveau module/système PV : Mise en place de campagnes de monitoring pour collecter des données (météorologiques, opérationnelles, imagerie) et essais sur un site pilote. Les données serviront à valider et améliorer les outils de diagnostic du CEA, en ajoutant des fonctions innovantes comme la prédiction de la propagation des salissures grâce à l’IA.
3. Niveau système/exploitation PV : Validation de la méthode sur des modules PV commerciaux dans des centrales PV, avec pour objectif de démontrer son applicabilité à grande échelle.
Les résultats de la Thèse contribueront au développement d'un outil/méthode innovant pour le diagnostic/pronostic complet des salissures dans les installations PV, permettant à la fois de minimiser les pertes d'énergie et d'anticiper/optimiser les stratégies de nettoyage d'une centrale PV.
Caractérisation multi-physique pour l’amélioration des performances des supercondensateurs hybrides au potassium
Le sujet de thèse porte sur l'optimisation des supercondensateurs hybrides au potassium (KIC), qui combinent les propriétés des supercondensateurs (puissance, cyclabilité) et des batteries (énergie). Ce système, développé au CEA, représente une technologie prometteuse, bas coûts et sans matériaux critiques/stratégiques. Cependant, l’optimisation des performances nécessite encore de lever différents verrous observés lors de travaux précédents, notamment sur l’intercalation du potassium dans le graphite et les phénomènes d’échauffement de cellules en fonctionnement. Afin d'explorer en profondeur les mécanismes de fonctionnement du système KIC, une partie essentielle du projet de thèse comprendra des expériences menées à l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), où des techniques de diffraction et d'imagerie avancées seront utilisées pour analyser la structure des matériaux et leur comportement en conditions réelles de fonctionnement. Le traitement des données recueillies sera également crucial afin d'établir des corrélations entres les propriétés physico-chimiques des matériaux et les performances globales du système. Cette thèse contribuera à la compréhension fondamentale des mécanismes multi-physiques en jeu dans les KIC pour développer des stratégies de conception innovantes et ainsi améliorer leur capacité, leur efficacité énergétique et leur durée de vie.
Apprentissage de Modèles Interprétables pour la Corrosion sous Contrainte des aciers inoxydables exposés en milieu primaire des REP
La corrosion sous contrainte (CSC) des aciers inoxydables est l'un des principaux phénomènes de dégradation des composants du circuit primaire des Réacteurs à Eau Pressurisée(REP). La compréhension de ce mécanisme de fissuration est d’une nécessité absolue pour la prolongation de la durée d’exploitation des réacteurs. Avec un nombre important de paramètres critiques qui influent sur la sensibilité du matériau à la CSC et la présence de forts effets de couplage, une grille d’essais expérimentaux assez conséquente est souvent envisagée pour aider à la compréhension du mécanisme. Il est proposé dans ce projet d’adopter une approche nouvelle basée sur l’utilisation de modèles interprétables, avec pour but d’éviter les longues et couteuses étapes de recherches en ciblant des essais pertinents et des paramètres matériaux pouvant améliorer les performances en environnement. L’enjeu ici sera d’ajouter à l’approche expérimentale les performances d’un outil d’intelligence artificielle avec pour objectifs de définir des domaines de sensibilité à l’amorçage de CSC en fonction des paramètres critiques identifiés dans le modèle, et de fournir des données relatives à l’élaboration de nouveaux matériaux par fabrication additive.
La thèse sera consacrée au développement d’un outil numérique adapté à ce nouveau cas d’usage et à la poursuite des activités expérimentales nécessaires à la validation de cette nouvelle approche. Il s’agira d’explorer les contributions de l’intelligence artificielle dans le domaine de la corrosion sous contrainte sur plusieurs volets : l'identification des paramètres au premier ordre sur la sensibilité du matériau, l'évaluation des domaines de criticité à la CSC et l'aide à la compréhension des mécanismes physiques à l’origine de la fissuration.
Etude expérimentale et modélisation de la cinétique d’oxydation des oxydes mixtes U1-yPuyO2
Dans un soucis d’économie des ressources en uranium et de stabilisation de son inventaire en plutonium, la France étudie la possibilité de généraliser l’emploi des combustibles à base d’oxyde mixte d’uranium et de plutonium (MOX) au sein de son parc électronucléaire. Ce scénario impliquerait de faire évoluer l’outil industriel existant pour permettre le traitement des MOX usés à cadence industrielle, et rendre ainsi possible le multi-recyclage du plutonium. Relever ce défi nécessite le développement de procédés innovants, dont les bases scientifiques sont à construire.
L’oxydation des MOX usés via un traitement thermique adapté pourrait permettre de lever un des verrous technologiques identifiés, qui réside dans la séparation du combustible de sa gaine métallique en amont de l’étape de dissolution. L’idée est de tirer parti des transformations de phase se produisant au cours de l’oxydation du combustible pour provoquer son effondrement en poudre. Il n’existe toutefois à l’heure actuelle que peu de données sur l’oxydation des oxydes (U,Pu)O2. L’objectif de cette thèse est de contribuer à combler cette lacune. L’étudiant(e) retenu(e) devra dans un premier temps caractériser les phases formées au cours de l’oxydation des oxydes (U,Pu)O2, ainsi que la cinétique et les mécanismes réactionnels associés. Ces résultats lui permettront d’aboutir à la proposition d’un modèle phénoménologique reliant la cinétique de suroxydation aux grandeurs d’intérêt que sont la teneur en Pu, la pO2, la température et la durée du traitement thermique.
A l’issue de cette thèse, le(la) candidat(e), de formation initiale en physico-chimie des matériaux, maitrisera un large panel de techniques expérimentales ainsi que des méthodes pointues de modélisation de la réactivité des solides. Cette double compétence lui ouvrira de nombreuses perspectives d’emploi en recherche académique ou en R&D industrielle, au sein comme hors du secteur nucléaire.
Effets des produits de fission et de la microstructure sur les mécanismes d’oxydation des combustibles (U,Pu)O2
Dans un souci d’économie des ressources en uranium et de stabilisation de son inventaire en plutonium, la France étudie la possibilité de généraliser l’emploi des combustibles à base d’oxyde mixte d’uranium et de plutonium (MOX) au sein de son parc électronucléaire. Ce scénario impliquerait de faire évoluer l’outil industriel existant pour permettre le traitement des assemblages de MOX irradiés à cadence industrielle, et de rendre ainsi possible le multi-recyclage du plutonium. Relever ce défi nécessite le développement de procédés innovants, dont les bases scientifiques sont à construire.
L’oxydation des MOX irradiés via un traitement thermique oxydant pourrait permettre de lever l’un des verrous technologiques identifiés, qui réside dans la séparation du combustible de sa gaine métallique en amont de l’étape de dissolution. Il n’existe toutefois à l’heure actuelle que peu de données sur l’oxydation des oxydes (U,Pu)O2 et encore moins sur l’impact des produits de fission et des propriétés microstructurales. L’objectif de cette thèse est de contribuer à combler ces lacunes. Pour cela l’étudiant(e) retenu(e) étudiera des échantillons (U,Pu)O2 présentant une microstructure identique aux combustibles MOX industriels ainsi que des échantillons (U,Pu)O2 dopés en produits de fission, qui simulent les combustibles irradiés comme montré par une thèse en cours dans le laboratoire. Les travaux expérimentaux s’appuieront majoritairement sur la réalisation d’expérimentations d’oxydation en température couplées à des analyses in situ et multi-échelle utilisant des techniques de laboratoire et le rayonnement synchrotron. Ces résultats permettront d’obtenir une description phénoménologique de l’impact des produits de fissions, de la pO2, de la température et de la durée du traitement thermique sur les mécanismes d’oxydation des combustibles MOX irradiés.
A l’issue de cette thèse, le(la) candidat(e), de formation initiale en physico-chimie des matériaux, maitrisera un large panel de techniques expérimentales. Ces compétences lui ouvriront de nombreuses perspectives professionnelles tant dans la recherche académique qu’en R&D industrielle, que ce soit dans le secteur du nucléaire que dans d’autre domaines.
Développement d’argyrodites à fort taux d’halogènes pour batterie tout-solide tout-sulfure
Les batteries tout-solides connaissent un regain d’intérêt depuis quelques années puisque cette technologie permet d’envisager une augmentation des densités d’énergie due à l’utilisation du lithium comme électrode négative mais également une augmentation de la sécurité des batteries par rapport à la technologie Li-ion. L’utilisation de sulfures comme matériaux d’électrode positive couplés à l’argyrodite comme électrolyte solide sont des systèmes intéressants à développer. En effet, les argyrodites atteignent des conductivités ioniques proches de celles des électrolytes liquides. De plus, la fenêtre de stabilité en cyclage des sulfures est proche de celle de l’argyrodite faisant de la technologie tout-sulfure une technologie prometteuse pour le développement des batteries tout-solides.
Dans une volonté d’améliorer les propriétés de conduction des argyrodites, des études récentes ont montré que la conductivité ionique dépend fortement de leur structure locale. La RMN du solide apparait ainsi comme une technique prometteuse afin de sonder les environnements locaux des noyaux cités et notamment de quantifier la variété d’environnements locaux différents favorisant une hausse de la conductivité ionique. Des compositions enrichies en halogénures semblant favoriser la conduction ionique, la synthèse de matériaux correspondant et leur structure seront étudiées.
La thèse s’articulera ainsi autour de deux axes principaux, l’étude de batteries tout-sulfures et la caractérisation fine d'argyrodite avec des structures locales contrôlées. En effet, des argyrodites riches en halogène seront développées et étudiées afin de déterminer l'influence des différents environnements locaux sur les propriétés de conduction.
Matériaux eco-conçus pour l’encapsulation des modules photovoltaïques flexibles de nouvelles générations
La durée de vie des dispositifs couches minces tel les dispositifs photovoltaïques Organiques (OPV) ou des modules Silicium (Si) photovoltaïques léger et/ou flexible de nouvelle génération est un point critique pour leur commercialisation. Il est notamment crucial de les encapsuler avec des matériaux hautement barrières aux gaz afin d’éviter leur dégradation selon différents mécanismes liés à l’insertion d’eau/oxygène qui peuvent être couplés à l’illumination. Cet objectif est d’autant plus complexe lorsque le dispositif, ainsi que son encapsulation, doivent être flexibles. Par ailleurs, l’éco-conception de cette nouvelle génération de modules flexibles amène aussi bien la question de la nature des matériaux d’encapsulation employés que celle de la fin de vie des matières constituant les modules. Par exemple, l’usage actuel de polymères fluorés pour l’encapsulation génère des produits toxiques en fin de vie et pourrait être substitué par l’usage de matériaux éco-conçus, potentiellement bio-sourcés, si les performance sont adaptées à la technologie photovoltaïque employée et à l’usage.
L’objectif de cette thèse sera tout d’abord d’étudier les propriétés physico-chimiques (barrières aux gaz, mécaniques, thermiques..) d’encapsulants bio-sourcés développés dans le cadre d’un projet national PEPR BioflexPV. Ces études concerneront aussi bien les matériaux de scellage que les capots flexibles. Par ailleurs, ces matériaux seront employés pour l’encapsulation de dispositifs réels OPV et Si flexibles afin d’en étudier la dégradation selon différentes conditions d’illumination, de température et d’hygrométrie. Ces études permettront de définir les mécanismes de dégradation mis en jeux selon la technologie photovoltaïque employée (OPV ou Si) et ainsi de définir les propriétés souhaitées pour les encapsulants bio-sourcés.
Elaboration, caractérisation et modélisation de films minces à base d’oxydes (Mn,Co)3O4 appliquées aux revêtements contre la corrosion et à la spintronique
Les spinelles de métaux de transition apparaissent spontanément lors de la corrosion généralisée des aciers ou alliages en milieu aqueux ou gazeux à haute température. Ces phases spinelles de type AB2O4 forment une couche de corrosion continue et régissent de ce fait les processus de corrosion car elles régulent la conductivité et le transport de matière entre le matériau et le milieu. Ces spinelles sont aussi déposés volontairement comme revêtements de protection contre les phénomènes de dégradation. En particulier, le système spinelle Mn-Co-O est très prometteur en tant que couche conductrice protectrice sur l’acier inoxydable ferritique utilisé pour fabriquer des interconnexions dans les piles à combustibles à oxyde solide pour la production d’hydrogène vert. Le choix de la composition de ces phases spinelle détermine évidement les caractéristiques de protection des revêtements. Ces caractéristiques sont particulièrement délicates pour les matériaux des électrolyseurs à haute température car le transport électronique doit être optimal (électrolyse importante) mais ne doit pas s’accompagner de transport de matière (diffusion des cations faible).
Paradoxalement, les propriétés de transport des spinelles de métaux de transition sont en général mal connues. Les mesures sont faites sur des couches de corrosion ou des revêtements de compositions variables, de faibles cristallinités, de microstructures complexes et de surcroit de faibles épaisseurs. Par ailleurs, les spinelles montrent des propriétés magnétiques et de désordre cationique en fonction de la composition largement ignorés alors qu’elles ont un impact fort sur le transport. Ce sont précisément ces propriétés magnétiques et de transport qui présentent un intérêt majeur dans le domaine de la spintronique. Ainsi, la manipulation de la composition chimique de ces oxydes de structure spinelle (normale, inverse ou mixte) offre une large gamme de propriétés magnétiques (ferrimagnétique, antiferromagnétique) et électroniques (semi-métallique, semi-conducteur, isolant). En particulier CoMn2O4, est prédit avoir une configuration magnétique complexe [1], reliée principalement à l’arrangement des cations Co2+ et Mn3+ dans les sites interstitiels, qu’il convient d’analyser en détail. Ces études physiques requièrent, à l’inverse des couches de corrosion, la synthèse de couches minces de composition et de cristallinité bien maitrisées.
L’objectif de la thèse est d’une part d’apporter les connaissances structurales et physiques des oxydes modèles de composition chimique (Mn,Co)3O4 pour contribuer à l’élaboration de diagramme de phase (Mn-Co-O) et d’autre part de développer un modèle de transport électronique reposant sur la relation entre ordre/désordre – propriétés magnétiques et résistivité pour les spinelles (Mn,Co)3O4 et à terme sur l’ensemble des spinelles (Fe,Cr,Mn,Co)3O4. Les investigations seront conduites sur des couches minces de composition parfaitement maitrisées, de grande cristallinité et seront complétées par des simulations numériques. L’ensemble des travaux expérimentaux et de modélisation s’appuiera sur les résultats des études précédentes sur les couches simples de spinelles de composition (Ni,Fe,Cr)3O4 [2,3].
La thèse comportera plusieurs volets :
- Croissance de couches minces et multicouches par MBE (Molecular Beam Epitaxy) (J.-B. Moussy)
- Caractérisations spectroscopiques par XPS (X-ray photoemission spectroscopy) (F. Miserque)
- Caractérisations structurales fines par DRX et par absorption X (XMCD) (P. Vasconcelos)
- Modélisation des spectres XPS et d’absorption X, et modélisation atomistique (A. Chartier)
- Caractérisations magnétiques par magnétométrie SQUID/VSM et électriques (J.-B. Moussy)
[1] Systematic analysis of structural and magnetic properties of spinel CoB2O4 (B= Cr, Mn and Fe) compounds from their electronic structures, Debashish Das, Rajkumar Biswas and Subhradip Ghosh, Journal of Physics: Condensed Matter 28 (2016) 446001.
[2] Stoichiometry driven tuning of physical properties in epitaxial Fe3-xCrxO4 thin films, Pâmella Vasconcelos Borges Pinho, Alain Chartier, Denis Menut, Antoine Barbier, Myrtille O.J.Y. Hunault, Philippe Ohresser, Cécile Marcelot, Bénédicte Warot-Fonrose, Frédéric Miserque, Jean-Baptiste Moussy, Applied Surface Science 615 (2023) 156354.
[3] Elaboration, caractérisation et modélisation de films minces et multicouches à base d’oxydes (Ni,Fe,Cr)3O4 appliquées à la corrosion et à la spintronique, A. Simonnot, thèse en cours.
Étude d’un procédé de lavage innovant pour le traitement de composants sodés issus d’installations utilisant du sodium liquide comme caloporteur
Le sodium est utilisé comme fluide caloporteur dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides. Compte tenu des températures de fonctionnement de ces installations, toutes les surfaces en contact avec le sodium liquide restent mouillées par du sodium résiduel une fois les circuits vidangés et égouttés. Le traitement de ce sodium résiduel est impératif pour assurer la sécurité des interventions sur les composants et structures dans un processus de démantèlement. Le procédé de référence pour cette action est le lavage à l’eau dans un puits de lavage dédié. Ce procédé met en œuvre une réaction du sodium avec l’eau sous différentes formes, en maîtrisant la cinétique de réaction, qui est instantanée et fortement exothermique sans contrôle de la mise en contact des réactifs.
Une étude exploratoire menée au CEA a fait l’objet d’une thèse soutenue en 2014 sur l’utilisation de sels pour mitiger la cinétique de réaction. Le laboratoire d’Études des technologies Sodium et Caloporteurs avancés (DES/IRESNE/DTN/STCP/LESC) possède ainsi des installations de R&D, instrumentées et dédiées à l’étude des procédés de lavage du sodium et équipées des fonctionnalités d’un puits de lavage industriel, telles que des rampes d’aspersion, des buses d’atomisation et un dispositif d’immersion.
Le principal objectif scientifique de la nouvelle thèse proposée est à présent d’identifier, de comprendre et de modéliser les mécanismes physico-chimiques impliqués dans la cinétique réactionnelle sodium-eau en présence de sels. Ces travaux permettront de limiter ou d’éviter les phénomènes d’onde de pression ou d’explosion lors du traitement du sodium résiduel des circuits de réacteurs nucléaires à neutrons rapides lors de leur assainissement-démantèlement. Le doctorant aura pour mission de définir les plans d’expérience, de participer activement à la réalisation des campagnes d’essai, d’exploiter les résultats et de proposer une interprétation des phénomènes observés (cinétiques, pic de pression, élévation locale de température…). Les essais auront pour objectif d’acquérir des données de thermodynamique et de cinétique de réaction fiables, tels que les temps de réaction, la variation de la pression dynamique, l’élévation de la température, la composition des phases gaz et liquide, la spéciation en phase liquide et la visualisation de la phénoménologie via caméra rapide. Des outils de modélisation seront mis à sa disposition pour établir et simuler un modèle de cinétique réactionnelle. À terme, les travaux proposés permettront de qualifier le procédé pour une application industrielle dans le domaine de l’assainissement/démantèlement à fort enjeu pour la filière nucléaire française.
En complément de l’expérience acquise dans le domaine du démantèlement de systèmes nucléaires, le travail proposé ouvre des perspectives professionnelles en particulier vers les centres de recherche et les départements de R&D dans l’industrie.
Un stage de master 2 est proposé par l’équipe en complément de la thèse.