Le stockage des batteries à 0 V – Un avantage stratégique pour les batteries Na-ion ?
La technologie de batteries Na-ion, récemment déployée à l’échelle commerciale, démontre un excellent comportement lors de stockage de moyenne ou longue durée à une tension nulle. Cette caractéristique est offre de nombreux avantage pour la sécurité lors du transport, de l'assemblage et du stockage des cellules et modules, ainsi que lors de la mise en sécurité en cas de problème externe… Mais est-elle vraiment sans conséquence sur les performances des batteries ?
Le projet de recherche vise à étudier et mieux comprendre les mécanismes électrochimiques en jeu lorsque la différence de potentiel aux bornes est maintenue à 0 V. Dans un premier temps, des techniques avancées de caractérisation dynamique seront utilisées pour analyser et comparer les caractéristiques électrochimiques, thermiques et mécaniques des matériaux. Les résultats permettront d'enrichir les modèles de vieillissement calendaire et en cyclage à l'échelle de la cellule.
Ensuite, des essais sur des mini-modules de batteries assemblées en différentes architectures électriques seront réalisés pour étudier le comportement des cellules lors du cyclage et du vieillissement, notamment sous l'influence de la mise à tension négative. Des solutions de gestion de batterie (BMS) spécifiques pourront être proposées pour gérer ces aspects.
La démarche scientifique consistera en la mise en œuvre de techniques de caractérisation et d’instrumentation avancées, la conduite d’essais de vieillissement et de sécurité, pour l’identification de mécanismes et l’élaboration de modèles de vieillissement. Cette démarche s’appuiera sur l’expertise et les moyens d’essais du CEA-Liten sur le site du Bourget du Lac (Savoie).
Étude de l’endommagement mécanique des cellules à oxyde solide: impact des modes de fonctionnement et des profils de chargement sur la réponse électrochimique
Les cellules à oxyde solide (SOCs) sont des convertisseurs électrochimiques fonctionnant à hautes températures qui peuvent être utilisés pour produire soit de l’électricité en mode pile à combustibles (SOFC) ou de l’hydrogène en mode d’électrolyse (SOEC). Grâce à un large éventail de cas d’application, cette technologie est susceptible d’offrir de nombreuses solutions innovantes pour assurer la transition vers l’utilisation massive d’énergies renouvelables. Néanmoins, malgré tous leurs avantages, l'industrialisation à grande échelle de cette technologie reste entravée par la durabilité des SOCs. En effet, les SOCs sont limitées par de nombreux phénomènes physiques dont notamment l’endommagement mécanique des électrodes. Par exemple, la formation de microfissures dans l’électrode dite à hydrogène est une des sources majeures de dégradation. Les mécanismes mis en jeu ainsi que l’impact des microfissures sur les performances restent cependant mal connus à ce jour. Par une approche de modélisation multi-physique, cette thèse propose (i) de simuler les dommages dans la microstructure de l'électrode et (ii) de calculer leur impact sur la perte de performances. Une fois le modèle validé sur des expériences originales, une analyse de sensibilité sera conduite et des recommandations seront émises pour des électrodes optimisées.
Développement d’outil de modélisation pour la corrosion en milieu poreux
Dans un contexte où la durabilité des matériaux s’avère fondamentale pour la sécurité des
installations et la promotion d’une transition énergétique durable, la maîtrise des phénomènes
de corrosion constitue un enjeu majeur pour des secteurs clés tels que le transport d’énergie
décarbonée via des conduites enterrées et le génie civil (hydrogène, nucléaire, infrastructures
souterraines). Le projet CORPORE s’inscrit dans cette problématique en proposant de
développer des modèles avancés de simulation numérique pour étudier la corrosion en milieu
poreux à l’aide de COMSOL Multiphysics. L’objectif scientifique et technologique principal consiste à élaborer une modélisation multiphysique intégrée des mécanismes électrochimiques et de transport au sein de matériaux
poreux : étude de l’influence couplée de la chimie, des propriétés du réseau poreux et des
interactions matériau-environnement sur l’initiation et la propagation de la corrosion. Cette
démarche permettra d’optimiser les stratégies de protection anticorrosion, de réduire les coûts
de maintenance et d’accroître la durée de vie des structures. Sur le plan de l’état de l’art, la
plupart des modèles se focalisent aujourd’hui sur des milieux homogènes et des approches compartimentées. Notre projet se démarque par l’intégration d’une modélisation mécanistique multi-échelles alliée à l’exploitation de données archéologiques pour une validation sur le long terme.
Evaluation de méthodes polytopales pour la CFD sur architecture GPU
Cette proposition de recherche se place dans le cadre de l’étude et de l’implémentation de méthodes polytopales pour résoudre les équations de la mécanique des fluides. Ces méthodes ont pour but de traiter des maillages les plus généraux possibles permettant de s’affranchir de contraintes géométriques de forme ou héritées de manipulations CAO comme des extrusions ou des assemblages faisant apparaître des non-conformités. Ces travaux se placent également dans le cadre du calcul intensif en vue de répondre à l’augmentation des moyens de calcul et en particulier du développement du calcul massivement parallélisé sur GPU.
L’objectif de cette thèse est donc de reprendre les travaux réalisés sur les méthodes de type polytopales existantes dans le logiciel TRUST que sont les méthodes "Compatible Discrete Operator" (CDO) et"Discontinuous Galerkin" (DG), de compléter leur étude notamment pour les opérateurs de convection et d’investiguer d’autres méthodes existantes dans la littérature comme les méthodes "Hybrid High Order"(HHO), "Hybridizable Discontinuous Galerkin" (HDG) ou "Virtual Element Method" (VEM).
Les objectifs principaux sont d’évaluer :
1. le comportement numérique de ces différentes méthodes sur les équations de Stokes/Navier-Stokes,
2. l’adaptabilité de ces méthodes à des architectures hétérogène telles que les GPU.
Développement d’une nouvelle méthode d’analyse de la gamme de fabrication de tubes de gainage pour des réacteurs nucléaires de quatrième génération
L’acier austénitique AIM1 est considéré comme l’alliage de référence pour le gainage combustible des réacteurs de quatrième génération au plomb (RNR-pb) ou au sodium (RNR-Na). Cet alliage, est aujourd’hui en phase de qualification. La mise en solution des carbures de titane est un élément central pour obtenir une microstructure qui résiste bien à l’irradiation et particulièrement au phénomène de gonflement sous irradiation (condensation de lacunes qui forment des cavités dans le matériau). Elle est principalement fonction de la qualité des traitements thermomécaniques qui sont conduits lors des fabrications industrielles. De nouvelles approches de caractérisations fines (couplage Microscopie Electronique – Sonde Atomique Tomographique (SAT) – Pouvoir Thermo-Electrique (PTE)) permettent de préciser les évolutions microstructurales lors des gammes de fabrication.
Dans ce travail de thèse, nous proposons d’étudier un nouveau critère de qualité de fabrication de l’AIM1. L’objectif premier est de préciser dans quelle mesure les variations du Pouvoir Thermo Electrique (PTE) du matériau peuvent contribuer à la mise en place d’une mesure de recette qui puisse être appliquée industriellement. On cherchera à acquérir les connaissances qui permettront d’effectuer une mesure simple pour valider l’état métallurgique des tubes en ayant une connaissance précise des microstructures qui produisent l’intensité du signal PTE.
Cette étude qui associera travail expérimental et modélisation permettra d’acquérir des compétences en Microscopie Electronique en Transmission, Sonde Atomique Tomographique, comportement sous irradiation aux ions et modélisation par dynamique d’amas.
Développement de code et Simulation numérique de l'entraînement de gaz dans les réacteurs rapides refroidis au sodium
Dans les réacteurs nucléaires rapides refroidis au sodium (RNR-Na), la circulation du sodium liquide est assurée par des pompes centrifuges immergées. Sous certaines conditions, des vortex peuvent se développer dans les zones de recirculation, favorisant l'entraînement de bulles de gaz inerte (typiquement argon) présent au-dessus de la surface libre. Si ces bulles sont aspirées dans le circuit primaire, elles peuvent endommager les composants de la pompe et nuire à la sûreté de
l’installation. Ce phénomène reste difficile à prédire, en particulier en phase de conception, et dépend de nombreux paramètres physiques, géométriques et numériques. L’objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure compréhension et une modélisation de l'entraînement de gaz dans les écoulements à surface libre typiques des RNR-Na, à l’aide de simulations numériques de type CFD (Computational Fluid Dynamics), en s’appuyant sur le code open-source TrioCFD, développé par le CEA. Ce code dispose d’un module de suivi d’interface (Front Tracking) particulièrement adapté à la simulation de phénomènes diphasiques avec interface libre déformable.
Etude des synergies Zn, Cr, Fe, Ni sur la cristallisation au sein de verres simplifiés d’intérêt nucléaire
En France, l’utilisation de l’énergie nucléaire pour la production d’électricité génère des déchets dits de Haute Activité lors de l’étape du retraitement des combustibles usés. Ces déchets sont immobilisés en matrice vitreuse borosilicatée, dont la structure permet d’incorporer à l’échelle atomique un grand nombre d’éléments chimiques, et garantissant d’excellentes propriétés de comportement à long terme. Les enjeux à venir de la filière conduisent à une évolution des combustibles mis en œuvre dans les réacteurs, ce qui peut potentiellement induire de fait une évolution de la nature des flux à vitrifier.
Parmi les éléments à étudier, on retrouve notamment le chrome, dont la solubilité est relativement faible dans les verres borosilicatés, présentant des synergies de cristallisation avec d’autres éléments contenus dans les verres de conditionnement, comme le fer, le nickel et le zinc. Ce travail de thèse vise donc à étudier les effets synergiques de Cr, Ni, Fe et Zn sur des verres borosilicatés peralcalins simplifiés d’intérêt nucléaire, afin de mieux appréhender les affinités de cristallisation entre les différents éléments et ainsi identifier la nature et la teneur des différentes phases susceptibles de se former
Le/la doctorant/doctorante bénéficiera des compétences reconnues du laboratoire sur la formulation de verres et l’étude de leurs propriétés physico-chimiques. L’ensemble des moyens mis à disposition permettra une approche globale du sujet, en travaillant sur une thématique en plein essor et porteuse de forts enjeux industriels. L’expérience acquise pendant ce travail interdisciplinaire pourra se valoriser dans le domaine des matériaux.
Optimisation topologique multi-matériaux robuste sous contrainte de fabricabilité appliquée au design d’aimant supraconducteur pour les IRMs haut champ
Les scanners IRM sont des outils très précieux pour la médecine et la recherche, dont le fonctionnement repose sur l'exploitation des propriétés des noyaux atomiques plongés dans un champ magnétique statique très intense. Celui-ci est généré, dans la quasi-totalité des scanner IRM, par un électroaimant supraconducteur.
La conception des électroaimants pour les IRM doit répondre à des contraintes très exigeantes sur l'homogénéité du champ produit. De plus, à mesure que le champ magnétique devient plus intense, les forces s'exerçant sur l'électroaimant augmentent et font émerger le problème de la tenue mécanique des bobinages. Enfin, la « fabricabilité » de l'électroaimant impose des contraintes sur les formes des solutions acceptables. La conception des électroaimants supraconducteurs pour les IRM demande donc un effort minutieux d'optimisation du design, soumise à des contraintes basée sur une modélisation multiphysique magnéto-mécanique.
Une nouvelle méthodologie innovante d'optimisation topologique multiphysique a été développée, sur la base d'une méthode à densité (SIMP) et d'un code de calcul par éléments finis. Celle-ci a permis de produire des designs d'aimants satisfaisant les contraintes sur l'homogénéité du champ magnétique produit et sur la tenue mécanique des bobinages. Toutefois, les solutions obtenues ne sont pas fabricables en pratique, tant du point de vue de la fabricabilité des bobines (enroulements des câbles) que de son intégration avec une structure portante (maintien des bobines par une structure en acier).
L'objectif de cette thèse est d'enrichir la méthode d'optimisation topologique amorcée en formalisant et en implémentant des contraintes de fabrication liées à manière de bobiner, aux contraintes résiduelles résultant d'une pré-tension des câbles au bobinage, et également à la présence d'un matériau de structure pouvant reprendre les efforts transmis par les bobines.
développement d'un procédé couplant la capture CO2 et son hydrogenation en carburant de synthèse (Negative Emission Technologie)
Jusqu’à récemment, les technologies de captage du CO2 étaient développées de manière disjointe de celles de valorisation du CO2 alors que le couplage entre l’étape de désorption du CO2 et la transformation chimique du CO2 généralement exothermique permettrait des gains énergétiques importants.
Des premières solutions couplées ont été proposées récemment mais sont essentiellement à température modérée (60-180°C) [1], voire récemment proches de 225°C [2].
L'objectif de cette thèse de doctorat est d'étudier, tant sur le plan expérimental que théorique un système couplé dans une gamme de température 250-325°C qui permet via une hydrogenation catalytique de type Fischer-Tropsch ou de méthanation l’obtention directe de produits à plus forte valeur ajoutée.
[1] Zhao, Lan, Hai-Yang Hu, An-Guo Wu, Alexander O. Terent’ev, Liang-Nian He, et Hong-Ru Li. « CO2 capture and in-situ conversion to organic molecules ». Journal of CO2 Utilization 82 (avril 2024)
[2] Koch, Christopher J., Zohaib Suhail, Alain Goeppert, et G. K. Surya Prakash. « CO2 Capture and Direct Air CO2 Capture Followed by Integrated Conversion to Methane Assisted by Metal Hydroxides and a Ru/Al2O3 Catalyst ». ChemCatChem 15, no 23
Modélisation à l’échelle atomique de la ségrégation induite par l’irradiation dans les alliages Zr(Nb)
Les gaines des crayons combustibles en alliage de zirconium constituent la première barrière de sûreté des réacteurs nucléaires à eau pressurisée. Les propriétés mécaniques ainsi que les phénomènes d’oxydation ou de croissance sous irradiation sont contrôlés par la microstructure de ces alliages. Afin de permettre une utilisation plus flexible des réacteurs nucléaires dans le mix énergétique tout en garantissant l’intégrité des gaines combustibles en conditions normales de fonctionnement et en conditions accidentelles, il est essentiel de comprendre en détail l’évolution de la microstructure sous irradiation. De nombreuses études mettent en évidence un rôle important du niobium sur cette évolution microstructurale. Par exemple, le couplage de flux de diffusion entre solutés (Nb) et défauts ponctuels créés par l’irradiation génère des ségrégations locales en Nb, ainsi que des précipités qui ne sont pas observés hors irradiation. La modélisation à l’échelle atomique apporte des informations complémentaires aux observations expérimentales qui permettent de confirmer ou d’infirmer certains scénarios d’évolution. L’objectif de cette thèse est d’appliquer aux alliages de zirconium les méthodes et outils de modélisation développés pour étudier les effets d’irradiation dans les alliages ferritiques, et tout particulièrement les phénomènes de ségrégation induite sous irradiation. Nous réaliserons des calculs de structure électronique dans l’approximation de la théorie fonctionnelle de la densité pour quantifier de façon aussi exhaustive que possible les interactions entre le niobium et les défauts ponctuels. À partir de ces données, nous calculerons les coefficients de transport du système ce qui permettra d’avoir une première discussion quantitative des couplages entre solutés et défauts ponctuels et des effets de ségrégation induite sous irradiation.