(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).
Modèle de microémulsion : Vers la prédiction des procédés d’extraction liquide-liquide
Cette thèse de modélisation multi-échelle a pour objectif de développer des approches théoriques et des outils numériques innovants pour révolutionner les procédés d’extraction des métaux stratégiques, comme l’extraction liquide-liquide dont les mécanismes sous-jacents restent encore mal compris. Pour répondre à ces enjeux, les phases solvants seront représentées par des microémulsions, grâce à une synergie d’approches de modélisations mésoscopiques et moléculaires.
Le volet mésoscopique reposera sur le développement d’un code basé sur la théorie des microémulsions utilisant une base d’ondelettes aléatoires. Ce code permettra de caractériser les propriétés structurales et thermodynamiques des solutions. L’approche moléculaire s’appuiera sur des simulations de dynamique moléculaire classique pour évaluer les propriétés de courbure des extractants nécessaires au passage entre les deux échelles.
Le nouveau code de calcul performant intégrera potentiellement des techniques d’intelligence artificielle pour accélérer la minimisation de l’énergie libre du système, tout en prenant en compte l’ensemble des espèces chimiques présentes avec un minimum de paramètres. Cela ouvrira la voie à de nouvelles pistes de recherche, notamment à travers la prédiction de la spéciation et le calcul des instabilités thermodynamiques dans les diagrammes de phase ternaires, permettant ainsi d’identifier des conditions expérimentales encore inexplorées.
Cette thèse, menée au Laboratoire de Modélisation Mésoscopique et Chimie Théorique à l’Institut de Chimie Séparative de Marcoule, aura des applications dans le domaine du recyclage, mais également dans le domaine des nanosciences, élargissant ainsi l’impact de ces travaux.
Le/La doctorant(e), de formation initiale en chimie-physique, chimie théorique ou physique, et ayant un fort intérêt pour la programmation, sera encouragé(e) à valoriser ses résultats scientifiques par des publications et des communications lors de conférences nationales et internationales. A l’issue de la thèse, le/la candidat(e) aura acquis un large éventail de compétences en modélisation et en chimie-physique, lui offrant de nombreuses opportunités professionnelles, tant en recherche académique qu’en R&D industrielle.
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.
Influence du dopage au chrome du combustible UO2 sur la spéciation des produits de fission en conditions accidentelles
Le développement des réacteurs nucléaires s’inscrit dans une démarche d’amélioration de la sûreté, avec par exemple le déploiement de combustibles nucléaires à propriétés améliorées vis-à-vis de leur comportement en conditions accidentelles : les combustibles nucléaires dits E-ATF (Enhanced Accident Tolerant Fuel). Parmi les combustibles E-ATF envisagés, le combustible UO2 dopé avec Cr2O3 est développé par l’opérateur industriel FRAMATOME. En revanche, très peu de données existent sur le comportement des produits de fission d’un combustible dopé Cr en conditions accidentelles.
La thèse propose de mettre au point un procédé de synthèse d’un combustible UO2 dopé Cr simulant le combustible irradié pour étudier le comportement des éléments (Cr et produits de fission) en température et sous différentes pressions partielles d’oxygène. La méthodologie repose sur une approche expérimentale couplant synthèse de matériaux modèles et caractérisation chimique approfondie, complétée par une approche théorique (calculs thermodynamiques) permettant de dimensionner les séquences thermiques et conforter les mécanismes réactionnels proposés.
La thèse sera réalisée au CEA de Cadarache (France), au sein de l’IRESNE (Institut de recherche sur les systèmes nucléaires pour la production d'énergie bas carbone). Le(La) doctorant(e) sera accueilli(e) dans un laboratoire dédié à l’étude des composés à base d’uranium du Département d’étude des combustibles (DEC). Selon les procédés de densification choisis, des expériences de plus ou moins longue durée pourront être menées dans d’autres laboratoires en France ou en Europe.
La thèse sera réalisée au CEA de Cadarache (France), au sein de l’IRESNE (Institut de recherche sur les systèmes nucléaires pour la production d'énergie bas carbone). Le(La) doctorant(e) sera accueilli(e) dans un laboratoire dédié à l’étude des composés à base d’uranium du Département d’étude des combustibles (DEC). Selon les procédés de densification choisis, des expériences de plus ou moins longue durée pourront être menées dans d’autres laboratoires en France ou en Europe.
Le doctorant aura l’opportunité de se former à des techniques pointues de caractérisation des sciences des matériaux céramiques, d’accéder à des expériences sur grands instruments (synchrotron) et de participer à des échanges avec le monde académique (CNRS, Universités, JRC). Il pourra valoriser ses travaux à travers des publications et des participations à congrès.
A l’issue de cette thèse, le doctorant aura acquis des compétences en science des matériaux et en caractérisation du solide qu’il pourra mettre à profit dans différents domaines des matériaux, ainsi qu’une expérience dans le milieu nucléaire d’intérêt pour l’industrie nucléaire.
Etude phénoménologique des effets couplés iode/oxygène sur la Corrosion Sous Contrainte induite par l’Iode (CSC-I) des alliages de zirconium
Le cœur des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) des centrales nucléaires est constitué d’assemblages combustibles, dont la gaine, première barrière de confinement du combustible, fait partie. L’Interaction Pastille-Gaine (IPG) consiste en une variation de puissance locale qui se traduit par la dilatation des pastilles combustibles qui imposent une déformation à la gaine. Le couplage du chargement mécanique imposé à la gaine et de l’environnement agressif, dû notamment à la présence d’iode issu de la réaction de fission, engendre un risque de fissuration de la gaine par Corrosion Sous Contrainte par l’Iode (CSC-I).
L’environnement chimique REP est à l’étude au Département d’Etude du Combustible (DEC). Il apparaît que les interactions entre la gaine et son environnement chimique REP résultent d’une compétition entre le zirconium, des gaz corrosifs tels que l’iode (I), l’iodure de tellure (TeI2) et l’oxygène (O2).
Ce sujet de thèse s’inscrit dans une démarche d’étude expérimentale de la CSC-I, dans des conditions mécaniques et chimiques aussi proches que possible des conditions vues par la gaine en REP.
Le travail de thèse s’articulera autour de trois axes principaux. Le premier axe permettra d’étudier l’influence de la contrainte, en fonction de la pO2 et de la pI2 sur la sensibilité à la CSC-I d’éprouvettes en alliage de zirconium. Les essais seront réalisés à l’aide des dispositifs d’essais existants au laboratoire (traction sur C-RING en iode vapeur, essais de pression interne en iode vapeur). Ce point sera accompagné de la modélisation de la CSC-I des alliages de zirconium. Le deuxième axe principal permettra d’étudier l’effet de la température sur la CSC-I à l’aide de ces mêmes dispositifs d’essais. Enfin, le troisième axe devrait permettre d’étudier l’effet sur la CSC-I, d’une zircone épaisse (de quelques microns d’épaisseur) située en paroi interne de gaine.