Modélisation chimie-mécanique du couplage entre carbonatation, corrosion des armatures et fissuration d’un milieu cimentaire
La corrosion des armatures est une des principales causes de dégradation prématurée des infrastructures en béton, y compris dans le domaine nucléaire où le béton est largement utilisé dans les enceintes de confinement et les structures de stockage de déchets. La carbonatation due à la pénétration du CO2 dans le béton entraîne une baisse du pH de la solution porale, favorisant la corrosion des armatures. Cette corrosion entraine la formation de produits expansifs pouvant provoquer la fissuration du matériau. Le travail de thèse, proposé dans le cadre d’une collaboration au sein d’un projet européen entre le CEA de Saclay, l'École des Mines de Paris - PSL et l'IRSN, vise à développer un modèle numérique pour simuler ces phénomènes. Le modèle combine un code de transport réactif (Hytec) et un code d'éléments finis (Cast3M) pour étudier les effets locaux de la corrosion par carbonatation sur la fissuration du béton. Ce projet s’appuiera sur des travaux expérimentaux réalisés en parallèle permettant de recueillir des données pour identifier les paramètres et valider le modèle. La première partie du travail se concentrera sur la modélisation de la carbonatation des matériaux cimentaires en conditions insaturées, tandis que la deuxième portera sur la corrosion des armatures due à la baisse de pH induite par cette carbonatation. Le modèle décrira la croissance des produits de corrosion et leur expansion induisant des contraintes dans le béton et une possible microfissuration.
Ce projet de recherche s'adresse à un doctorant souhaitant développer ses compétences en science des matériaux, avec une forte composante en modélisation et simulations numériques multi-physiques et multi-échelles. La thèse sera réalisée principalement au CEA de Saclay et à l'École des Mines de Paris – PSL (Fontainebleau).
Corrosion des métaux réactifs dans les nouveaux liants d’enrobage - Etude expérimentale et modélisation hydro-chemo-mécanique
Dans le cadre de la gestion des déchets radioactifs de l'industrie nucléaire, le conditionnement de divers types de déchets métalliques s’avère nécessaire pour un stockage à long terme. Ces déchets, parfois très réactifs et sujets à la corrosion, sont généralement immobilisés dans des conteneurs à l’aide de matrices cimentaires. Des liants innovants (ciments à faible émission de carbone, liants alcali-activés) sont ainsi développés pour améliorer les performances de ce conditionnement. Le projet européen STREAM (dans le cadre de Eurad-2) vise à évaluer les interactions entre les déchets métalliques et ces nouveaux liants. Le travail de thèse proposé consiste alors à étudier la corrosion des métaux réactifs dans les matrices cimentaires sélectionnées, par des méthodes électrochimiques. Un protocole expérimental générique sera élaboré pour évaluer les effets de la croissance des produits de corrosion sur le comportement mécanique du composite matrice/inclusions métalliques, et l’éventuel développement de microfissures. Des caractérisations post-mortem des interfaces métal/liant seront réalisées pour analyser la microstructure et mesurer les propriétés mécaniques des matériaux, en particulier les produits de corrosion. Les résultats alimenteront dans un second temps un modèle couplé Hydro-Chemo-Mécanique (HCM) simplifié, visant à simuler les effets de la corrosion sur le comportement du matériau composite. Ce modèle sera destiné par la suite à être utilisé pour la simulation du comportement de colis de déchets à long terme.
Ce projet de recherche s'adresse à un doctorant souhaitant développer ses compétences en science des matériaux aussi bien dans le domaine expérimental que de modélisation/simulation de phénomènes couplés physico-chimiques.
Impact d’un panache salin en nitrate de sodium sur les propriétés de confinement des matrices cimentaires vis-à-vis des radionucléides
Prédire par la modélisation la migration d’un toxique chimique radioactif à travers un matériau poreux connu de tous tel que le béton est un enjeu sociétal majeur ; en particulier dans le cadre des études liées au stockage des déchets issus de l’industrie nucléaire. Démontrer que le modèle proposé est robuste par des expériences en laboratoire ciblées en conditions physico-chimiques extrêmes est un des défis scientifiques proposé par le CEA dans le cadre de ce projet de recherche.
Le(la) doctorant(e) aura en charge de concevoir, de réaliser et de modéliser des essais expérimentaux de rétention et de diffusion de radionucléides d’intérêt en conditions cimentaires contrôlées ou perturbées par la présence des nitrates à très fortes concentrations. Le résultat principal attendu est la proposition d’un modèle prédictif couplant la chimie en condition de forte force ionique et le transport à travers des matrices cimentaires complexes validé par les données expérimentales acquises sur systèmes simples.
Entouré(e) par une équipe composée d’experts dans le domaine de la mesure et modélisation de la migration de radionucléides en milieu poreux, le/la doctorant(e) pourra développer ou approfondir ses compétences dans les domaines suivants: chimie, chimie analytique, physico-chimie, radiochimie et modélisation.
Amélioration de la prédictivité des simulations des grandes échelles par apprentissage machine guidé par des simulations haute fidélité
Cette thèse vise à explorer l'application des techniques d'apprentissage machine pour améliorer la modélisation de la turbulence et les simulations numériques en mécanique des fluides. On s’intéresse plus spécifiquement à l’application des réseaux de neurones artificiels (ANN) pour la simulation des grandes échelles. Cette dernière est une approche de modélisation qui se concentre sur la résolution directe des grandes structures turbulentes, tout en modélisant les petites échelles par un modèle sous-maille. Elle requiert de résoudre un certain ratio de l’énergie cinétique totale. Néanmoins, ce ratio peut être difficilement atteignable pour des simulations industrielles en raison du fort coût de calcul, conduisant à des simulations sous-résolues. On souhaite améliorer ces dernières en orientant les travaux selon deux axes principaux : 1) Utiliser des ANN pour établir des modèles des modèles sous-mailles génériques qui surpassent les modèles analytiques et compensent la grossièreté de la discrétisation spatiale ; 2) Entraîner des ANN pour apprendre des modèles de paroi. L’un des principaux défis à relever est la capacité des nouveaux modèles à généraliser correctement dans des configurations différentes de celles utilisées lors de l'entraînement. Ainsi, la prise en compte des différentes sources et quantification des incertitudes joue un rôle vital dans l’amélioration de la fiabilité et de la robustesse des modèles issus de l'apprentissage machine.
(Nano)composites à (nano)charges cœur-coquille thermoconductrices et isolantes électriques orientables sous champ magnétique
Les avancées dans l'électronique de puissance, les moteurs électrique et les batteries par exemple engendrent une hausse significative de la production de chaleur pendant le fonctionnement. Cette augmentation de la densité de puissance associée à des surfaces d'échange thermique réduites amplifie les défis liés à l'évacuation de la chaleur. L'absence d'une dissipation adéquate entraîne une surchauffe des composants électroniques, impactant leurs performances, durabilité et fiabilité. Ainsi, il est impératif de développer une nouvelle génération de matériaux dissipateurs thermiques intégrant une structure dédiée à cet effet.
L’objectif et l’innovation des travaux du thésard résidera dans l’utilisation de (nano)charges très conductrices thermiquement qui seront orientables dans une résine époxy sous champ magnétique. Ainsi le premier axe de travail sera d’isoler électriquement les (nano)charges thermo-conductrices à fort facteur de forme (1D et 2D). L’isolation électrique de ces charges d’intérêt sera réalisée par voie sol-gel. La synthèse sera contrôlée et optimisée en vue de corréler l’homogénéité et l’épaisseur du revêtement aux performances diélectriques et thermique du (nano)composite. Le second volet portera sur le greffage de nanoparticules magnétiques (NPM) sur les (nano)charges thermo-conductrices. Des NPM commerciales seront évaluées ainsi que des nuances synthétisées en laboratoire. Les (nano)composites devront posséder une rhéologie compatible avec le procédé d'infusion de résine.
Modélisation et Validation expérimentale d’un réacteur catalytique et optimisation du procédé pour la production de e-Biocarburants
Les procédés « Biomass-to-liquid » visant une gazéification de biomasse en syngaz (mélange mélange CO+CO2+H2) puis une transformation de ce syngaz par une synthèse Fischer-Tropsch visant la production de différents carburants (kérosène, diesel, gasoil marin) connaissent un essor ces 20 dernières années. Plusieurs démonstrateurs ont été développés, notamment en Europe. Cependant, le trop faible ratio H/C du syngaz résultant de la gazéification nécessite une recirculation voire le rejet du CO2 en sortie du procédé ce qui complexifie les séparations et a un impact négatif sur la valorisation du carbone biosourcé.
Récemment, la possibilité d’effectuer, au sein d’un même réacteur catalytique, la réaction de Reverse Water Gas Shift (RWGS) et la réaction de Fischer-Tropsch (FT) à l’aide de catalyseurs à base de fer et de différents promoteurs a été démontrée (Riedel, 1999) et reproduite dans le cadre de plusieurs thèses CEA/CP2M (Panzone, 2019 ). Elle ouvre de nouveaux potentiels pour valoriser au mieux l’ensemble du contenu carboné de la biomasse à condition de compléter le syngaz par un apport d’hydrogène issu d’électricité renouvelable.
L’objectif de la thèse se concentre sur l’hydrogénation directe d’un mélange CO/CO2 en hydrocarbures qui consiste à enchainer au sein du même réacteur les reactions de RWGS et la synthèse Fischer-Tropsch . Il s’agit de modéliser cette synthèse catalytique dans un réacteur à lit fixe dans des conditions représentatives d’un procédé industriel de PBtL afin d’en optimizer le fonctionnement.
Compréhension des mécanismes de l’hydrogénation par voie directe du CO2 par des catalyseurs (Na,K)FeOx via un couplage théorique-expérimental
Face au dérèglement climatique, la sobriété énergétique pour réduire nos émissions de CO2 s'impose. Une autre solution au problème existe : la capture, le stockage et l'utilisation du CO2, et ce afin de tendre vers une économie circulaire du carbone, et à terme la défossilisation. Dans cette optique, l'hydrogénation par voie directe du CO2 permet de le transformer en molécules d'intérêts tels que les hydrocarbures, via le couplage de la réaction reverse water gas shift (RWGS) et de la synthèse Fischer-Tropsch (FTS).
La catalyse computationnelle operando a récemment émergé comme étant une alternative raisonnée au développement de nouveaux catalyseurs grâce à une approche multi-échelle de l’atome jusqu’à la particule active, afin de modéliser la sélectivité et l’activité du catalyseur. Les nouveaux outils combinant les simulations ab initio (DFT) et la dynamique moléculaire (MD) via des algorithmes de machine learning permettent de faire le lien entre la précision des calculs DFT et la puissance des simulations atomistiques. Les catalyseurs actuels bifonctionnels (car actifs pour la RWGS et la FTS) pour l’hydrogénation par voie directe du CO2 sont à base d’oxydes de fer dopés (promoteurs métalliques).
Ce projet a pour objectif l’étude théorique de catalyseurs de type Na-FeOx et K-FeOx dopés avec du Cu, Mn, Zn et Co, et ce en 4 étapes : les simulations DFT (énergies d’adsorption, densités d’états, barrières d’énergies, états de transition), la modélisation microcinétique (constantes de réaction, TOF), la construction de potentiels interatomiques par couplage DFT/machine learning, la simulation de particules entières (sélectivité, activité, grandeurs microscopiques).
Cette étude théorique ira de pair avec la synthèse et des mesures expérimentales des catalyseurs étudiés, et des catalyseurs optimisés émergeants des résultats computationnels. Toutes les données accumulées (DFT, MD, propriétés catalytiques) pourront alimenter une base de données, qui pourra être exploitée à terme pour faire émerger des descripteurs d’intérêt pour l’hydrogénation du CO2.
Développement d’une nuance avancée d’acier austénitique nano-renforcé pour utilisation sous flux intense
Les travaux récents ont montré qu’il était possible d’obtenir des aciers austénitiques ODS (Oxide Dispersion Strengthened – renforcés par dispersion d’oxydes) pour une utilisation sous flux intense. Ces nouvelles nuances commencent à être étudiées pour le nucléaire à travers le monde. Elles devraient présenter des propriétés remarquables, notamment en termes de résistance au gonflement sous irradiation et au fluage, grâce à l’ajout de nano-renforts en densité exceptionnelle (10^23 à 10^24 m-3). Ces aciers ODS sont obtenus par métallurgie des poudres, par co-broyage d’une poudre métallique avec une poudre d’oxyde.
Le but de ce travail est de réussir à fabriquer, grâce à un procédé innovant, des tubes de gainage en acier austénitique ODS. Il conviendra de maitriser la recristallisation de ces tubes, de proposer une première évaluation critique en précisant les relations propriétés/microstructures et en évaluant, par des irradiations aux particules chargées, le comportement sous flux de ce nouveau matériau.
L’étudiant sera formé à la Microscopie Electronique à Balayage et aux techniques qui en découlent (analyse X, EBSD …), à la diffusion centrale, à la réalisation et l’exploitation d’essais mécaniques. Il devra acquérir de bonnes notions en Microscopie Electronique à Transmission et en Sonde Atomique Tomographique. La compréhension du comportement sous irradiation sera guidée par des simulations par dynamique d’amas.
Développement de supports solides poreux siliceux pour la sorption d’actinides – Comportement sous irradiation
L’objectif de ce projet de recherche est d’étudier la densification d’une structure mésoporeuse sous l’effet des dommages d’irradiation produit par la présence d’un actinide (238Pu) dans la structure poreuse. Pour cela, des matériaux siliceux à base de silices mésoporeuses modifiées par l’ajout d’éléments d’addition (B, Al…) seront mis en œuvre. L’ajout de ces éléments aura pour but de fragiliser la structure mésoporeuse afin de favoriser sa densification. Les caractéristiques de la structure mésoporeuse (diamètre des pores, taille des murs, symétrie du réseau poreux) seront d’autres paramètres de l’étude. Ces matériaux seront fonctionnalisés par des ligands de type phosphonate pour l’adsorption d’actinides : le thorium comme simulant dans une étape préliminaire, puis le plutonium. La dernière partie de ce travail qui se poursuivra au-delà de la thèse, consistera à étudier par différentes techniques (SAXS, BET, microscopie…) l’évolution de la structure mésoporeuse sous l’effet des dommages d’irradiation au cours du vieillissement du matériau. Ce travail de recherche fondamental pourrait avoir des retombées dans le domaine de matériaux de conditionnement des déchets nucléaires : vieillissement des gels à la surface des verres nucléaires, matériau support pour la décontamination des effluents radioactifs. Une partie du travail sera réalisée dans l’installation Atalante du CEA Marcoule.
Etude et simulation des entraînements de phase dans les batteries de mélangeurs-décanteurs
Dans le cadre du développement de nouveaux procédés de séparation par extraction liquide-liquide, des essais expérimentaux sont mis en œuvre afin de démontrer la récupération des éléments valorisables suffisamment décontaminés des impuretés. Ces essais sont couramment réalisés en batteries de mélangeurs décanteurs. Cependant, en fonction des conditions opératoires, ces produits finis peuvent être contaminés par des impuretés. Cette contamination résulte de la combinaison de plusieurs facteurs :
-Hydrodynamique : Entrainement dans le solvant de gouttes aqueuses non décantées contenant des impuretés
-Chimique : le facteur de séparation des impuretés est faible (inférieur à 10-3)
-Procédé : l’entrainement des gouttes est amplifié avec l’augmentation de la cadence (réduction du temps de séjour des gouttes)
Cette thèse a pour but d’accroitre la compréhension des différents phénomènes responsables de ces entraînements de phase afin d’estimer des paramètres opératoires optimaux et de garantir une contamination des produits finis inférieure à un seuil fixé.
Il sera question de mettre au point un modèle macroscopique permettant de prédire le débit d’entrainement de gouttes non décantées en fonction des conditions opératoires dans les batteries de mélangeurs décanteurs. Il devra s’appuyer sur des simulations hydrodynamiques couplant la résolution d’un bilan de population de gouttes à un écoulement de phase continue. Un couplage sera réalisé entre ce modèle hydrodynamique et le code PAREX ou PAREX+ permettant de dimensionner les schémas de procédé.
La qualification des modèles proposés devra être faite par des comparaisons à des mesures expérimentales (basées sur des compagnes d’essai antérieures ou à venir).