Influence de la démontabilité des systèmes batteries sur leurs impacts environnementaux
Avec l'essor de la mobilité électrique et du stockage d'énergie, la demande en batteries explose. Mais cette croissance soulève une question essentielle : comment concevoir des batteries à la fois performantes, durables et plus respectueuses de l'environnement ?
Sans regarder la chimie de la cellule, l'une des pistes prometteuses est la démontabilité : rendre les packs batteries plus faciles à démonter permettrait de faciliter leur réparation, réutilisation ou recyclage. Cependant, un design plus démontable peut aussi augmenter sa masse ou réduire la fiabilité du système, et donc impacter sa durée de vie globale.
Cette thèse propose de relever ce défi en développant une méthode d'analyse capable de relier la conception de batteries démontables à leurs impacts environnementaux réels, tout en intégrant la question de la fiabilité. La ou le doctorant(e) évaluera la démontabilité de différents systèmes batteries, quantifiera les gains et pertes environnementaux associés, et contribuera à la mise au point d'un outil d'aide à la décision pour guider les choix de conception. Le travail proposé fera appel, entre autres, à la modélisation sous logiciel d'Analyse du Cycle de Vie (ACV) couplée à des modèles de performance et de vieillissement de batterie et à des probabilités de défaillance.
Ce travail s'inscrit dans un contexte technologique marqué par la recherche de circularité des ressources, les enjeux d'automatisation du démontage, et les nouvelles réglementations européennes sur les batteries. Il offrira une occasion unique de contribuer à la conception des batteries de demain, plus durables.
Simulation de l’écoulement dans les extracteurs centrifuges : l’impact des solvants visqueux sur le fonctionnement
Dans la cadre du retraitement du combustible nucléaire usé, le CEA a codéveloppé avec ROUSSELET-ROBATEL des appareils d’extraction liquide/liquide (ELL) visant à mettre en contact deux liquides immiscibles parmi lesquels l’un contient les métaux valorisables à récupérer et l’autre une molécule extractante. L’Extracteur Centrifuge multi-étage est l’un des appareils qui permettent de faire de l’ELL à l’usine de la Hague. L’utilisation future de solvants potentiellement plus visqueux que les standards industriels actuels peut poser des problèmes de performance qu’il est important d’étudier au préalable en laboratoire afin d’apporter les préconisations nécessaires au recouvrement des performances attendues par l’usine. L’environnement nucléaire dans lequel sont exploités ces appareils rend l’étude in situ quasi-impossible et prive donc la R&D de précieuses informations pourtant nécessaires à une compréhension approfondie des mécanismes physico-chimiques au cœurs des problématiques en jeu. Pour répondre à cela, l’étude proposée va reposer sur une approche numérique qui aura au préalable été validée par comparaison soit avec des données expérimentales historiques soit avec des acquisitions issues des pilotes ad hoc plus récents. Ainsi à l’issue d’une phase de bibliographie et de capitalisation des mesures récentes, il est proposé dans un premier temps de créer des cas-test qui vont servir à valider le modèle numérique. Sur la base de cette validation et à la lumière des connaissances acquises sur les thèses précédentes concernant l’effet de la viscosité sur les écoulements, il est proposé d’explorer numériquement l’impact d’une élévation de viscosité des solvants sur les extracteurs centrifuges. Cela ouvrira la voie à une meilleure compréhension du fonctionnement des appareils ainsi qu’à des améliorations de nature opératoires ou géométriques. L’étudiant évoluera au CEA Marcoule, dans un environnement de recherche à la croisée entre une équipe d’expérimentateurs et une équipe de simulations numériques. Cette expérience lui permettra d’acquérir d’importantes compétences en modélisation des écoulements liquide-liquide ainsi que de solides connaissances sur le développement de contacteurs liquide-liquide.
Etude de la durabilité d'adsorbants à base de géopolymère utilisés pour la décontamination d'effluents radioactifs
Le retraitement du combustible usé génère des effluents radioactifs nécessitant un traitement adapté. Pour répondre aux enjeux industriels et réglementaires, le CEA développe des matériaux adsorbants à base de géopolymères, robustes, économiques et efficaces pour la capture du Cs-137 et du Sr-90. Leur performance peut être renforcée par l’intégration d’adsorbants sélectifs (zéolithes) et par des procédés innovants de mise en forme (impression 3D, billes, mousses) optimisés pour l’adsorption en colonne.
La durabilité de ces matériaux reste un point critique : leurs mécanismes de lixiviation et de vieillissement en colonne sont encore peu connus. La thèse portera sur l’étude de ces phénomènes, afin de comprendre l’impact de la chimie des effluents sur la stabilité et l’efficacité des géopolymères. Le travail comprendra la synthèse des matériaux, des essais de sorption en batch et en colonne, ainsi que l’utilisation d’outils de modélisation pour interpréter les mécanismes d’altération. Le défi scientifique est d’identifier les marqueurs physicochimiques clés de la dégradation du géopolymère dans les effluents liquides ciblés et de faire le lien avec les capacités de sorption en colonne.
Le/la doctorant(e) rejoindra le Laboratoire des Procédés Supercritiques et Décontamination (LPSD), reconnu pour son expertise en extraction d’ions sur support solide en colonne et en caractérisation d’adsorbants. Il/elle collaborera avec les spécialistes du CEA Marcoule et les équipes du laboratoire, et présentera régulièrement les avancées du projet au partenaire industriel. À l’issue de la thèse, le/la doctorant(e) aura acquis une expertise reconnue à l’interface entre matériaux, chimie et procédé d’adsorption en colonne. Elle ouvrira des débouchés variés : postes en R&D dans les secteurs du nucléaire, de la gestion des déchets et des matériaux fonctionnels ; poursuites académiques (post-doctorat, recherche, enseignement) ou encore contribution aux grands défis de l’énergie et de l’environnement.
Optimisation et contrôle de la température dans les systèmes pile à combustibles
Les piles à combustible à membranes échangeuses de proton (PEMFC) représentent une technologie clé pour le développement de systèmes énergétiques propres et durables, en particulier pour des applications lourdes dans le transport où leur densité énergétique est très intéressante. Néanmoins, afin de représenter une alternative industrielle viable, un certain nombre de verrous doit encore être levé parmi lesquelles les coûts d’exploitation et surtout la durabilité des systèmes en conditions réelles d’usage. Parmi les leviers d’action, l’optimisation des conditions opératoires est une piste prometteuse pour limiter les phénomènes de dégradations ayant lieu au sein de la pile. La température de fonctionnement est en particulier un paramètre clé car elle intervient à toutes les échelles : de la cinétique des mécanismes de dégradation à la capacité thermique que le système peut dissiper, en passant par l’équilibre en eau au sein de la pile. Malgré l’influence de ce paramètre sur la durabilité, celle-ci n’est généralement optimisée à l’échelle système que pour obtenir les meilleures performances, le temps de réponse le plus court possible et limiter la taille du système de gestion thermique.
L’objectif de cette thèse est de travailler à l’optimisation de la gestion de température d’une pile à combustible au sein d’un système en prenant en compte non seulement le critère de performances mais aussi celui de la durabilité. Pour ce faire l’impact de la température de fonctionnement sur les mécanismes de dégradation sera analysée à l’aide des différents outils de simulation déjà présents au sein du LITEN et de la quinzaine d’années d’expérience des équipes sur l’étude de la dégradation des piles à combustible PEMFC. Différentes architectures thermiques seront proposées et évaluées en lien avec les travaux d’optimisation des lois de contrôle de la température. Ces dernières pourront être mise en œuvre sur un système pile à combustible réel dans le but de démontrer la pertinence de la solution proposée par des données expérimentales concrètes.
Méthodes d’analyse innovantes des étapes critiques et des mécanismes limitants pour la formation des batteries
Le secteur de la fabrication des batteries en Europe connait aujourd'hui une forte expansion. La formation électrique, étape qui suit l'assemblage de la batterie jusqu'à sa livraison est peu étudiée dans les milieux universitaires alors qu’elle conditionne les performances des batteries (durée de vie, résistance interne, rebuts…). Pourtant c'est une étape essentielle du procédé qui est à la fois longue et couteuse (>30 % du coût de fabrication des cellules, 25 % du coût des équipements d'une Gigafactory) et qui gagnerait grandement à être optimisé.
Nous proposons d'étudier dans cette thèse la formation des batteries par des techniques complémentaires innovantes operando et non intrusives. L’objectif est d'identifier les mécanismes limitants de l’étape d’imprégnation des porosités des électrodes par l’électrolyte et de l’étape de 1ère charge de la batterie. Le candidat sera chargé de mettre en œuvre des méthodes expérimentales pour le suivi et l’étude de ces mécanismes. Il mettra en place une méthodologie et un protocole d’étude, combinant mesures électrochimiques et caractérisations physiques en fonctionnement et non intrusives. Il étudiera et optimisera le temps de formation et le contrôle qualité durant ses étapes.
De l’Angström au micron : un modèle d’évolution microstructurale du combustible nucléaire dont les paramètres sont calculés à l’échelle atomique
La maîtrise du comportement des gaz de fission dans le combustible nucléaire (oxyde d’uranium) est un enjeu industriel important puisque leur relâchement ou leur précipitation limite l'utilisation du combustible à forts taux de combustion. Or ces phénomènes sont fortement influencés par l’évolution microstructurale du matériau due aux défauts générés par l’irradiation (création de défauts ponctuels, agrégations de ceux-ci en cavités et bulles de gaz ou en boucles ou lignes de dislocation…). La dynamique d’amas (DA) est un modèle de type cinétique chimique permettant de décrire la nucléation/croissance des amas de défauts, leur contenu en gaz et le relâchement de celui-ci. Ce modèle est paramétré à partir de données de base calculées à diverses échelles (ab initio, potentiels empiriques, Monte Carlo). Ce modèle rend déjà compte d’expériences de recuit d’UO2 implanté en atomes de gaz de fission et a confirmé le fort impact des défauts d’irradiation sur le relâchement gazeux. L’objectif de la thèse est d’une part d’améliorer le modèle et ses paramètres d’entrée, notamment le taux de création de défauts d’irradiation, et d’autre part d’étendre son domaine de validation en le confrontant à de nombreuses expériences issues de thèses récemment soutenues au département (mesure de relâchement gazeux par recuit d’échantillons implantés via un accélérateur d’ions, observation de cavités, bulles de gaz et boucles de dislocation par microscopie électronique à transmission sur des échantillons implantés ou irradiés en pile). Vous serez donc amené à faire évoluer certains des sous-modèles constitutifs de la DA pour interpréter et simuler l’ensemble des expériences disponibles. En parallèle cela permettra d’affiner la paramétrisation du modèle.
Ce sujet de modélisation présente l’intérêt pour d’articuler à une dimension “théorique” (amélioration du modèle), ainsi que de physique numérique (évaluation par en Dynamique Moléculaire des certaines grandeurs thermo-cinétiques des défauts) une dimension “expérimentale” (interprétation d’expériences déjà réalisées, voire conception et suivi de nouvelles expériences). Ainsi, l’approche d’un ensemble varié de techniques d’observation et de mesure vous ouvriront le monde de la physique expérimentale et complèteront votre profil. Vous aurez également à animer des collaborations dans le but d’analyser les données expérimentales, de développer l’outil de calcul ou de spécifier ou réaliser des calculs atomistiques complémentaires. Vous serez accueilli au sein du Laboratoire de Modélisation du Comportement des Combustibles (Institut de recherche sur les systèmes nucléaires pour la production d'énergie bas carbone IRESNE , CEA Cadarache) où vous pourrez bénéficier d’un environnement ouvert et riche en collaborations académiques.
Ce travail offre une position centrale et un point de vue synthétique sur la physique du combustible en irradiation. Il vous permettra de contribuer au développement de la physique numérique appliquée à une démarche multiéchelle de modélisation. Vous découvrirez en quoi des outils de simulation basés sur les données microscopiques les plus fondamentales obtenues par le calcul atomistique permettent de traiter et expliquer des situations pratiques.
Pour aller plus loin :
Skorek (2013). Étude par Dynamique d’Amas de l’influence des défauts d’irradiation sur la migration des gaz de fission dans le dioxyde d’uranium. Univ. Aix-Marseille. http://www.theses.fr/2013AIXM4376
Bertolus et al. (2015). Linking atomic and mesoscopic scales for the modelling of the transport properties of uranium dioxide under irradiation. Journal of Nuclear Materials, 462, 475–495.
Etude du comportement en début de vie du combustible MOX à isotopie dégradée.
La France a fait le choix d'un cycle du combustible nucléaire dit « fermé ». Il consiste à traiter le combustible usé pour récupérer ses matières valorisables (uranium et plutonium), tandis que ses autres composés (produits de fission et actinides mineurs) constituent les déchets ultimes. Le combustible UO2 irradié en Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) est ainsi aujourd’hui retraité pour produire du plutonium (PuO2), réutilisé ensuite sous forme de combustible MOX (Mixed Oxide) lui-même irradié en REP : on parle de monorecyclage du plutonium. La solution de multi-recyclage des matières via l’utilisation de combustibles contenant du Pu issu du traitement d’assemblages MOX usés, est une perspective actuellement étudiée au CEA. Ce plutonium multi-recyclé contient une plus forte proportion d’isotopes à forte activité alpha (Pu238,Pu240,Pu 241/Am241), entraînant une auto-irradiation alpha plus sévère que dans les MOX actuels [1]. Ceci exacerbe certains phénomènes physiques [2-5] (gonflement du combustible lié à la précipitation de l’hélium et à la création de défauts cristallins, baisse de la conductivité thermique)[6-8], pouvant altérer son comportement en réacteur.
La thèse proposée vise à étudier l’impact de ces phénomènes sur le comportement en début d’irradiation de combustibles MOX, via une approche expérimentale couplée à la modélisation. Des traitements thermiques seront utilisés pour analyser les mécanismes de guérison des défauts cristallins et le comportement de l’hélium. Diverses techniques expérimentales permettant de caractériser la structure et microstructure (diffraction X, MEB, spectroscopie Raman, microsonde), les densités de défauts (MET), le relâchement d’hélium (KEMS), la reproduction du gradient thermique (laser CLASH) et la mesure de conductivité thermique (laser LAF) seront utilisées. Les résultats alimenteront des simulations pour modéliser la microstructure et les propriétés thermiques.
Cette étude transverse et pluridisciplinaire permettra de mieux appréhender les phénomènes mis en jeu lors de la première montée en puissance pour des combustibles endommagés par l’auto-irradiation alpha, avec un accent tout particulier sur l’impact de l’He produit par décroissance.
Vous serez basé au Laboratoire d'Etude de Conception et d'Irradiation Multi filière au sein de l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone du CEA/Cadarache dont vous dépendrez. Vous collaborerez également avec le Laboratoire d'analyses chimiques et caractérisation des MATériaux (LMAT)du CEA/Maroule ainsi que le centre de recherche européen (JRC) de Karlsruhe pour la partie expérimentale. Vous pourrez valoriser vos résultats au travers de publications scientifiques et participations à des congrès. Vous aurez l’occasion d’apprendre ou de vous perfectionner dans plusieurs techniques réutilisables dans d’autres contextes, applicables à de nombreux domaines de la science des matériaux et de l’ingénieur.
[1]O. Kahraman, thésis, 2023.[2]M. Kato et al., J Nucl Mater, 393 (2009) 134–140.[3]L. Cognini et al., Nuclear Engineering and Design 340 (2018) 240–244.[4] T. Wiss et al., Journal of Materials Research 30 (2015) 1544–1554.[5]D. Staicu et al., J Nucl Mater 397 (2010) 8–18.[6] T. Wiss et al.,Front. Nucl. Eng. 4 (2025) 1495360.[7]E.P. Wigner, J. Appl. Phys. 17 (1946) 857–863.[8]D. Staicu et al., Nuclear Materials and Energy 3–4 (2015) 6–11.
Développement d'un estimateur hybride CPU-GPU pour le transport neutronique : vers une simulation Monte Carlo plus efficace
Des jumeaux numériques intégrant des modèles de simulation Monte Carlo sont en développement pour la conception, l’exploitation et le démantèlement d’installations nucléaires. Ces jumeaux sont capables de prédire des grandeurs physiques telles que les flux de particules, les échauffements gamma/neutrons ou les débits d’équivalent de dose. Cependant, la méthode Monte Carlo présente un inconvénient majeur : un temps de calcul élevé pour obtenir une variance acceptable. Pour améliorer l’efficacité des simulations, l’estimateur eTLE a été développé et intégré au code Monte Carlo TRIPOLI-4®. Comparé à l’estimateur classique TLE (Track Length Estimator), l’eTLE offre une variance théorique plus faible, notamment dans les milieux fortement absorbants, en apportant des contributions au détecteur sans que la particule ne l’atteigne. Cependant, son coût computationnel reste encore élevé, surtout lorsqu’on souhaite évaluer plusieurs détecteurs.
Dans deux thèses récentes, deux variantes ont été développées pour surmonter cette limite. Le Forced Detection eTLE- (Guadagni, EPJ Plus 2021) utilise un échantillonnage préférentiel qui oriente les pseudo-particules vers le détecteur à chaque collision. Il est particulièrement efficace pour les petits détecteurs et les configurations avec blindages modérés, notamment pour les neutrons rapides. Le Split Exponential TLE (Hutinet & Antonsanti, EPJ Web 2024) repose sur une approche GPU asynchrone, externalisant le transport en ligne droite des particules sur processeur graphique. Grâce à un échantillonnage multiple, il maximise l’usage du GPU et permet une exploration plus efficace de l’espace des phases.
La thèse proposée vise à combiner ces deux approches dans un estimateur hybride nommé seTLE-DF. Ce nouvel estimateur pourra être utilisé soit directement, soit pour générer des cartes d’importance sans recourir à des calculs auxiliaires avec des codes déterministes. Sa mise en œuvre nécessitera des développements spécifiques sur GPU, notamment pour optimiser la bibliothèque géométrique et la gestion mémoire dans des géométries complexes.
Ce sujet s’inscrit dans le cadre de l’informatique verte, visant à réduire l’empreinte carbone du calcul haute-performance. Il repose sur une approche hybride CPU-GPU, évitant le portage complet du code Monte Carlo sur GPU. Des solutions telles que l’utilisation du format demi-précision seront envisagées et une évaluation de l’impact énergétique avant et après implémentation sera réalisée. Le futur docteur sera accueilli au sein de l'Institut IRESNE (CEA Cadarache). Il pourra acquérir des compétences solides en simulation neutronique, facilitant son intégration dans les grands organismes de recherche ou les entreprises du secteur nucléaire.
Simulation parallèle et raffinement adaptatif de maillage pour des problèmes de mécanique 3D
Le challenge de cette thèse est de mettre en place des méthodes numériques de raffinement adaptatif de maillage pour la mécanique 3D non linéaire adaptées aux calculateurs parallèles.
Ce sujet est proposé dans le cadre du programme et équipements prioritaires de recherche (PEPR) NumPEx (Numérique Pour l’Exascale). Il est intégré dans le Projet Ciblé Exa-MA (Méthodes et Algorithmes pour l’Exascale). La thèse se déroulera au CEA Cadarache au sein de l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE), dans l’équipe de développement de la plateforme logicielle PLEIADES, spécialiste de la simulation du comportement du combustible et des méthodes numériques multi-échelles.
Lors d’une simulation par éléments finis, l’adaptation automatique de maillage (ou AMR en anglais, pour Adaptive Mesh Refinement) est devenue un outil incontournable pour réaliser des calculs précis avec un nombre d’inconnues contrôlé. Les phénomènes à prendre en compte, en particulier en mécanique des solides, sont souvent complexes et non-linéaires : contact entre solides déformables, comportement viscoplastique, fissuration… Par ailleurs, ces phénomènes requièrent des modélisations intrinsèquement 3D. Ainsi le nombre d’inconnues à prendre en compte nécessite l’utilisation de solveurs parallèles. Un des défis actuels est donc de combiner méthodes de raffinement adaptatif de maillage et mécanique non linéaire des solides pour une utilisation sur calculateurs parallèles.
Le premier axe de recherche de cette thèse concerne la mise au point d’une méthode de raffinement de maillage (de type block-structured ) pour la mécanique non-linéaire, avec adaptation dynamique de maillage. On s’intéressera ainsi aux opérateurs de projections pour obtenir une solution AMR dynamique précise lors de l’évolution des zones raffinées.
L’autre axe sera dédié au traitement efficace du contact entre solides déformables dans un environnement parallèle. Il s’agira d’étendre des travaux précédents limités à des maillages de contact concordants au cas de géométries de contact quelconques (algorithme de type nœud-à-surface).
L’environnement de développement privilégié sera l’outil MFEM. La gestion des éléments finis et la réévaluation dynamique du maillage adaptatif nécessite d’évaluer (et probablement améliorer) l’efficacité des structures de données impliquées. De grands calculs 3D seront réalisés sur des supercalculateurs nationaux en utilisant des milliers de cœurs de calcul. Cela permettra de s’assurer du passage à l’échelle des solutions mises en place.
Modélisation d’une phase dispersée hors équilibre et de sa fragmentation
Dans le cadre de l’utilisation durable de l’énergie nucléaire pour produire une électricité décarbonée, les réacteurs de 4e génération dits « à neutrons rapides » sont nécessaires pour fermer le cycle du combustible.
Cette thèse s’inscrit dans le cadre des études de sûreté associées à de tels réacteurs à caloporteur sodium et plus particulièrement la situation hypothétique d'un coeur fondu qui se relocalise par gravité vers le récupérateur en fond de cuve. Un jet de corium (mélange de combustible et éléments structurels du coeur fondus) interagit alors violemment avec le fluide caloporteur, induisant entre autres la fragmentation du jet de corium en gouttes couplée à l’ébullition en film du réfrigérant. Les caractéristiques de la phase dispersée de corium résultante et de sa fragmentation sont déterminantes pour étudier le risque d’emballement et d’explosion vapeur.
L’objectif de la thèse est ainsi de modéliser une phase dispersée et sa fragmentation dans un fluide environnant, avec une approche à la fois performante et capable de rendre compte des variétés d’échelle et des déséquilibres thermiques entre les gouttes et la phase porteuse. La méthode envisagée pour satisfaire ces objectifs est la méthode des moments qui découle d’un modèle cinétique. Elle demande une fermeture adéquate et des schémas numériques satisfaisant des contraintes non standards, en offrant en retour un compromis coût/précision primordial dans le contexte étudié. Les avancées seront a priori implémentées dans le logiciel CFD SCONE construit sur la plateforme open-source TRUST du CEA.
Le lieu de travail principal sera basé au LMAG (Laboratoire de Modélisation des Accidents Graves) au sein de l’institut IRESNE du CEA Cadarache. Une partie des travaux sera aussi réalisée au Laboratoire EM2C (Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion) – CNRS/CentraleSupélec à Paris.
Le futur docteur travaillera dans un environnement scientifique dynamique et pourra acquérir des compétences par la suite prétendre à des postes académiques et de R&D industriels.
Mots-clés : Phase Dispersée, Fragmentation, Cinétique, Méthode des Moments, Multiphasique, Méthodes Numériques, Accidents Graves.