Nouveaux Catalyseurs Carbonés Durables pour PEMFC
Le but du projet est de développer et de tester pour l’ORR, un matériau à base d’aérogel de graphène mésoporeux et graphitisé, présentant une structuration hiérarchique permettant un meilleur transfert de matière et des domaines graphitiques augmentant la durabilité et la conductivité du matériau final, et fonctionnalisé par des Pt-NPs.
Ces structures de graphène expansé développées à l’IRIG/SyMMES présentent des chimies de surfaces, des micro/méso/macro porosités dépendantes des méthodes de synthèses, fonctionnalisation et de séchage employées. L’objectif sera d’augmenter leur degré de graphitisation, et ensuite de déposer par voie chimique les Pt-NPs. Les propriétés électrocatalytiques de ces matériaux seront ensuite testées.
La caractérisation méso-structurale avancée par diffusion de rayonnement de ces matériaux permettra de corréler propriétés structurales et propriétés catalytiques de ces nouveaux électro-catalyseurs en système pile à combustible. Ce gain de connaissance passera par des analyses ex-situ, mais aussi operando.
Simulation HPC des propriétés mécaniques des électrodes dans les batteries Li-ion
Li-ion batteries are complex multi-physics systems in which chemical reactions, transport phenomena, and mechanical deformation are strongly coupled. The battery electrodes are composed of micrometric granular materials (the microstructure) where the lithium can insert and disinsert, a process that creates internal mechanical stress and strain in the materials and subsequent volumic changes. While it is currently observed that the coupling between electrochemical reactions and mechanical deformation at the microstructure level strongly impacts the battery performances, lifespan and safety, the origin of this impact is poorly understood. The global objective of this position is to better understand the coupling between mechanical deformations of the microstructure and the local conditions of lithium transport in the electrode. The study should lead to practical applications such as recommendation on the electrode design to increase life capability of Li-ion batteries.
Etude de la fusion décontaminante de gaines de combustibles nucléaires en fin de vie
Actuellement, en France, les gaines des combustibles UOx sont constituées d’alliages base zirconium et étain ou niobium. A l’issue de l’utilisation des combustibles nucléaires en réacteur, les gaines des combustibles contaminées en actinides (An), en produits de fission (PF) ainsi qu’en produits d’activation (PA) sont entreposées en attente de leur stockage en site géologique.
Il est envisagé de décontaminer ces gaines, une fois le combustible usé enlevé, pour les rendre moins radioactives, dans le but de les décatégoriser.
Des études sur des gaines radioactives ont montré que l’utilisation d’un laitier à base de fluorure permettait une décontamination en An et PF vers le laitier. Le verrou scientifique réside dans la décontamination en PA, et plus précisément dans l’étape préalable de séparation Zr/Nb.
De plus, la gestion des laitiers fluorures peut être pénalisante du fait de la forte tendance du fluor à la corrosion. L’utilisation de laitiers oxydes serait une voie alternative à privilégier, constituant le deuxième challenge de ce sujet de recherche.
L’objectif du post-doctorat sera de formuler des laitiers fluorures et/ou oxydes capables de décontaminer l’alliage de Zr, avec un focus particulier sur la séparation Zr/Nb .
Les expériences (en laboratoire non radioactif) se baseront sur une revue de la littérature réalisée par le/la post-doc et s’appuieront sur les résultats des calculs thermodynamiques effectués au LM2T du CEA Saclay.
Les missions du post-doctorat seront d’élaborer des laitiers selon les conditions opératoires à définir (composition, température), de les caractériser via des analyses physico-chimiques (MEB/EDS, DRX, ATD/ATG), d’estimer le facteur de décontamination en présence de tronçons de gaines et d’optimiser si besoin les interactions aux interfaces et/ou leur composition chimique.
Rôle des conteneurs métalliques sur l'altération des verres de confinement de déchets de haute activité en conditions de stockage géologique : interactions verre-fer en réacteurs étanches à l’hydrogène .
Les déchets vitrifiés issus du retraitement des combustibles des centrales nucléaires, ainsi que leurs conteneurs et surconteneurs en acier, sont destinés à être stockés définitivement en couche géologique profonde. L'eau sera ainsi le vecteur de l'altération du verre et de la migration potentielle des éléments radioactifs. Le concept de stockage le plus avancé à ce jour prévoit que le colis de verre soit protégé pendant la phase de décroissance thermique de l'interaction avec l'eau par un surconteneur en acier non allié. Cependant, qu'il soit sous forme de fer métallique ou de produit de corrosion des aciers (oxydes, carbonates, sulfures), le fer joue un rôle significatif dans l'altération du verre.
L'objectif de ce travail est de comprendre et de quantifier les mécanismes de l'interaction verre-fer afin de renforcer la robustesse des modèles opérationnels de performance des colis de déchets utilisés pour les calculs de sûreté en situation de stockage. À cet effet, un banc de dix réacteurs instrumentés étanches à l'hydrogène a été développé au laboratoire. Il a permis la mise en œuvre d'une première série d'expériences longues de plusieurs mois qui ont concerné un verre modèle non radioactif et un carbonate de fer comme source de fer. L'objectif sera de mettre en œuvre ces expériences d'interaction en utilisant cette fois du fer métallique, plus réactif, de caractériser les solutions prélevées et les produits d'altération néoformés, avant d'interpréter les expériences à l'aide des outils de modélisation disponibles au laboratoire.
Comportement de matériaux en sels fondus
L’accès à une énergie propre et peu coûteuse semble plus que jamais primordial dans le contexte actuel d’urgence climatique. Plusieurs pistes sont envisagées depuis plusieurs années déjà mais de nombreux verrous technologiques restent à lever pour les concrétiser, tant elles représentent des ruptures technologiques. Que ce soit pour les centrales solaires ou les réacteurs nucléaires de 4ème génération, le milieu sel fondu utilisé comme caloporteur et/ou comme combustible est fortement corrosif rendant le choix des matériaux de structure très complexe.
La plupart des alliages commerciaux, qu’ils soient à base de nickel ou à base de fer, semblent se dégrader très rapidement dans ces milieux fondus. Il est donc nécessaire d’élargir le champs d’expérimentation à des matériaux plus innovants. Aussi un screening de matériaux est prévu pour sélectionner les meilleures nuances de matériaux.
Après sélection des matériaux les plus intéressants, une étude des mécanismes de corrosion est prévue, via des analyses MEB, DRX, SDL, ICP etc, des techniques électrochimiques et l’utilisation de logiciels thermodynamiques de type HSC et Factsage.
L’objectif du sujet post doctoral proposé au sein du Service de Corrosion et du Comportement des Matériaux (S2CM) consiste en l’étude intégrale du comportement de divers matériaux. Par intégrale, il est ici entendu depuis la préparation d’éprouvette à la caractérisation des produits de corrosion. Cette thématique revêt un haut caractère expérimental et de compréhension des mécanismes de corrosion. Ce sujet s’inscrit dans le cadre d’un projet regroupant des industriels à la pointe du nucléaire français (EDF, Framatome, Orano). Les résultats obtenus seront ainsi susceptibles d’être présentés aux différents partenaires.
Développement d'un procédé de croissance cristalline
Dans le cadre de la réalisation de composants optiques de grandes dimensions pour le Laser MégaJoule, il est nécessaire d'étudier la croissance des cristaux de DKDP (KDP deutéré). Ils sont traditionnellement produits par croissance lente (la durée de croissance dépasse deux ans). Mais le laboratoire propose ici d'étudier une méthode rapide de croissance réduisant le délai de fabrication à quelques mois.
Amélioration par calculs thermodynamiques des modèles de physico-chimie pour le joint oxyde-gaine et la réaction oxyde-gaine dans le code de performance GERMINAL
Ce sujet de post-doctorat s’inscrit dans le cadre des études sur le comportement physico-chimique en conditions d’irradiation du combustible (U,Pu)O2 envisagé pour alimenter les réacteurs nucléaires de 4ème génération. En effet, ce type de combustible est le siège de deux phénomènes spécifiques qui peuvent affecter son comportement :
- la formation d’un JOG (Joint Oxyde-Gaine), couche de composés de produits de fission localisée entre la surface externe de la pastille et la face interne de la gaine ;
- la ROG (Réaction Oxyde-Gaine), qui conduit à la formation d’une couche de corrosion interne de la gaine composée de produits de fission et des éléments constitutifs de l’acier de gainage.
L’objectif du travail consiste à améliorer les modèles de physico-chimie pour la formation du JOG et pour la ROG dans GERMINAL, outil de calcul scientifique (OCS) dédié au comportement thermo-mécanique et physico-chimique du combustible des réacteurs à neutrons rapides en conditions d’irradiation standards et incidentelles. Pour ce faire, le candidat travaillera sur le développement du schéma de calcul GERMINAL en mode intégré qui fait appel au composant de thermochimie OpenCalphad et sur la comparaison de résultats de calculs d’épaisseurs de JOG et de corrosion interne de gaine aux observations expérimentales disponibles pour certaines expériences d’irradiations. Des calculs thermodynamiques complémentaires seront réalisés en mode autonome avec la TAF- ID (Thermodynamics of Advanced Fuels - International Database, pour analyser la thermochimie JOG/ROG en fonction de paramètres d’intérêt.
Ce travail sera réalisé en collaboration avec un laboratoire spécialisé en modélisation thermodynamique, en charge du projet de la TAFID. Le candidat aura ainsi la possibilité de discuter sur ces résultats avec des partenaires étrangers dans un cadre collaboratif. Qui plus est, il pourra valoriser son travail au travers de publications et de présentations à des conférences.
Mise en œuvre de capteurs permettant le suivi en ligne de la corrosion des aciers inoxydables en milieu acide nitrique chaud et concentré
La maîtrise du vieillissement des matériaux des équipements (principalement en acier inoxydable) de l'usine de recyclage du combustible nucléaire usé, fait l'objet d'une attention permanente. Certaines installations de l’usine de la Hague devront d’ailleurs être remplacées très prochainement. Dans ce contexte, il est important pour l’industriel de développer des capteurs, résistants à l’acide nitrique concentré (˜ 2,5 mol/L) et à la température (de l’ambiante à 130 °C), permettant de suivre la corrosion en ligne.
L’objectif de ce travail est de fabriquer un capteur permettant de détecter la corrosion de l’acier.
Les challenges de ce sujet de post-doc sont essentiellement technologiques puisqu’il s’agira de développer ou d’utiliser des matériaux adaptés à des milieux acides nitriques concentrés et chauds.
Le laboratoire est spécialisé dans l'étude de la corrosion dans des conditions extrêmes. Il est composé d'une équipe scientifique très dynamique et motivée.
Développement de capteur optique in-situ et operando appliqué aux batteries Li-ion
Le développement des batteries Li-ion présente une forte croissance depuis une dizaine d’années. L’amélioration des performances, de la sécurité et de la durabilité, sont les axes principaux de recherche dans le domaine. Les mécanismes mis en jeux dans le fonctionnement et le vieillissement sont complexes et leur compréhension nécessite des mesures operando et in situ aux différentes échelles du nano au macroscopique. Le CEA s’est donné comme objectif, à travers un projet de recherche, de développer une sonde locale optique pour la mesure in situ et operando des paramètres physiques (température, déformations mécaniques) et chimiques (concentration locale en ion lithium) lors du fonctionnement d’une batterie Li-Ion. En intégrant une équipe pluridisciplinaire, le/la candidat(e) participera dans un premier temps au développement des sondes optiques et leurs intégrations sur des fibres optiques : à savoir la synthèse des sondes optiques et chimiques, leurs intégrations à la surface de fibres optiques et leurs caractérisations. Le/la candidat(e) participera également à la réalisation du montage optique et aux campagnes d’essais. Les capteurs développés seront intégrés à des cellules Li-ion et testés sous différentes conditions afin de tester l’efficacité du capteur développé et établir une première preuve de concept.
Electrodes négatives nanostructurées pour batteries magnésium-ion
Le sujet s’inscrit dans un projet ANR portant sur le développement d’électrodes négatives pour les accumulateurs électrochimiques magnésium (Mg)-ion. Le magnésium apparaît comme une excellente alternative au lithium en raison de sa forte capacité spécifique, son faible coût, son abondance sur Terre et sa faible réactivité. Cependant, les électrolytes conventionnels interagissent fortement avec le magnésium métallique pour former une couche de surface bloquante à la surface du Mg métallique, inhibant les réactions électrochimiques réversibles. Une solution intéressante pour pallier à ce problème est le remplacement de l’électrode en Mg métallique par un matériau compatible avec des solvants et solutions électrolytiques présentant de larges fenêtres de stabilité électrochimique. Les composés d’alliages avec le Mg possèdent une stabilité appropriée dans les électrolytes classiques, des potentiels légèrement plus élevés que le Mg métallique pur mais des capacités spécifiques plus faibles. Dans le cadre d’un projet ANR, le laboratoire LEEL développe de nouveaux composés d’alliage pour ces batteries et cherche à les nanostructurer afin de résoudre les problèmes d’expansion volumique et de diffusion lente des ions lors de l’alliage avec le Mg.
Dans ce projet, le/la post-doctorant(e) sera en charge dans un premier temps de la compréhension fondamentale de la réactivité vis-à-vis des électrolytes des alliages développés au laboratoire via notamment des mesures par impédance et XPS. Dans un deuxième temps, il s’agira d’optimiser les formulations d’électrode et d’électrolyte via la comparaison systématique des performances en demi-cellule. Finalement, des cellules complètes Mg-ion seront réalisées avec les meilleurs couples électrode/électrolyte.