Conception et validation de schémas de calcul neutroniques innovants pour les coeurs de réacteurs nucléaires sans bore soluble
Dans le cadre du projet NUWARD™, le CEA est en charge du développement et de la validation des schémas de calcul neutroniques de référence en appui à la conception du réacteur.
Au sein du SERMA/LPEC, le candidat participera aux développements de schémas de calcul innovants dédiés au coeur du réacteur NUWARD™ mettant en œuvre des modélisations avancées du code déterministe de nouvelle génération APOLLO3®, ainsi qu'à la réalisation des études pour la vérification et la validation des schémas développés.
Conception du packaging des modules PV de haute performance
La durée de vie de nouvelles générations de modules photovoltaïques est de 25-30 ans en conditions externes. Le packaging joue un rôle critique pour répondre à ses exigences de fiabilité et de durabilité. Les cellules solaires sont protégées par du verre en face avant et des couches plastiques complexes sont employées comme encapsulant en face avant et arrière, en contact avec la face arrière. Les encapsulants ont de multiples rôles; forment une couche barrière contre l’humidité, oxygène, radiation ultra-violet, assurent l’isolation électrique et la protection mécanique des plaquettes de silicium fragiles tout en gardant une transparence optique élevée. Le procédé de fabrication industriel des modules est la lamination, qui impose des exigences supplémentaires pour la formulation des encapsulants.
L’objectif de ce post-doc est d’établir une corrélation entre les propriétés des matériaux, leur mise en forme et le comportement thermo-mécanique des modules innovants avec des cellules hétérojonctions, back-contact ou silicium/pérovskite tandems. La caractérisation avancée des polymères sera étroitement déployée lors de cette étude utilisant notamment DSC, DMA, adhésion, ATG, WVTR, extraction Soxhlet etc. La corrélation entre les paramètres de la lamination et la tenue mécanique des panneaux constituera un des axes majeurs de recherche. Le choix des encapsulants et de tous les matériaux sera fortement guidé par l’éco-conception pour réduire l’impact environnementale du packaging et augmenter la recyclabilité, et renforcer le ré-emploi des plastiques. Ce post-doc s’inscrit dans une collaboration européenne sur le sujet.
Dispositifs photoniques IV-IV à déformation pilotable : application à l’émission et la détection de lumière
La déformation de la maille cristalline d’un semi-conducteur est un outil très puissant permettant de contrôler de nombreuses propriétés telles que sa longueur d’onde d’émission, sa mobilité … Un enjeu de premier plan est de pouvoir générer cette déformation dans des gammes importantes (multi%), et de manière réversible et contrôlée. L’amplification locale de la déformation est une technique récente permettant d’accumuler localement dans une constriction micronique, telle qu’un micropont, des quantités significatives de déformation (jusqu’à 4.9% pour Ge [1]). Cette approche a été mise en œuvre dans des architectures de microlasers en GeSn ainsi fortement déformés au sein du laboratoire SiNaPS [2]. Ces structures ne permettent cependant pas aujourd’hui de moduler sur demande la déformation et la longueur d’onde d’émission imposées au sein d’un même composant, celle-ci étant gelée par « design ». L’objectif de ce post doctorat de 18 mois est donc de réaliser des dispositifs photoniques de la famille des MOEMs (microsystèmes opto-électro mécaniques) permettant de combiner l’amplification locale de la déformation dans le semi-conducteur, à une fonction d’actionnement via un stimulus externe, pour aller vers 1-une microsource laser accordable large bande en longueur d’onde et 2-de nouveaux types de photodétecteurs, le tout en technologie IV-IV (Si, Ge, et Ge1-xSnx). Le ou la candidat(e) mènera plusieurs tâches:
a-la simulation du fonctionnement mécanique des composants en utilisant des logiciels de type FEM, et le calcul des états électroniques du semiconducteur déformé
b-sur la base des résultats obtenus en a, la réalisation des composants en salle blanche (PTA: lithographie, gravure sèche, métallisation, bonding)
c-la caractérisation optique et matériau des composants fabriqués (microRaman, PL, photocourant, MEB…) à l’IRIG-PHELIQS et au LETI.
[1] A. Gassenq et al, Appl. Phys. Lett.108, 241902 (2016)
[2] J. Chrétien et al, ACS Photonics 6, 10, 2462–2469 (2019)
Cascade de circulicité en turbulence compressible
Dans le cadre de ce post-doctorat, nous proposons d'étudier les propriétés des petites échelles d'une turbulence homogène compressible forcée, et cela au travers de relations statistiques exactes de type Monin-Yaglom. L'idée, détaillée dans la référence [1], est de comprendre comment s'organise le transfert de circulicité dans la zone inertielle. La circulicité est une grandeur associée au moment angulaire et, par extension, aux mouvements tourbillonnaires. L'analyse de ses propriétés inertielles permet de compléter la description de la cascade d'énergie déjà mise en évidence dans de précédents travaux [2,3].
L'objectif du post-doctorat sera de réaliser et d'exploiter des simulations directes de turbulence compressible homogène avec forçage, de façon à mettre en évidence les propriétés inertielles de la circulicité.
Pour cela, le(la) post-doctorant(e) disposera d'un accès au très grand centre de calcul (TGCC) ainsi que d'un code, Triclade, résolvant les équations de Navier-Stokes compressibles [4]. Ce code ne possède pas de mécanisme de forçage et la première tâche du(de la) post-doctorant(e) consistera donc à ajouter cette fonctionnalité. Une fois cette tâche accomplie, des simulations seront réalisées en faisant varier la nature du forçage et notamment le rapport entre ses composantes solénoïdales et dilatationnelles. Ces simulations seront ensuite exploitées en analysant les termes de transfert de la circulicité.
[1] Soulard and Briard. Submitted to Phys. Rev. Fluids. Preprint at arXviv:2207.03761v1
[2] Aluie. Phys. Rev. Lett. 106(17):174502, 2011.
[3] Eyink and Drivas.Phys. Rev. X 8(1):011022, 2018.
[4] Thornber et al. Phys. Fluids 29:105107, 2017.
Biocatalyse par microfluidique
L’objectif global du projet est de proposer un nouveau mode de production biocatalytique basé en flux continu et combinant macro et micro-fluidique. Il s’agit de développer un procédé de biocatalyse impliquant des bioréacteurs fluidiques capables d’assurer une biotransformation en mode continu, grâce à des enzymes ou des cellules immobilisées. Ce procédé sera optimisé pour d’une part améliorer l’efficacité de réactions enzymatiques et d’autre part obtenir des capacités importantes de production. Deux types d’enzymes seront étudiées, les nitrilases et les cétoreductases.
D'abord, le ou la candidat(e) sera chargé(e) de la recherche d’enzymes robustes pour les réactions cibles et du criblage sur les substrats définis. Il ou elle sera chargée de la mise au point des conditions réactionnelles en enzymes isolées et cellules entières et de la détermination des cinétiques apparentes. Ensuite, il/elle sera chargé(e) de la mise en place des conditions de fonctionnement de la biocatalyse et de l'immobilisation du biocatalyseur dans des réacteurs continus polyvalents.
Ce sujet est réalisé entre deux départements du CEA (Direction de la Recherche Fondamentale/IBFJ/Genoscope à Evry et Direction de la Recherche Technologique/Leti à Grenoble).
Le ou la candidat(e) travaillera en binôme avec un(e) étudiant(e) en thèse sur la conception du réacteur biocatalytique et la mise à l'échelle du processus biocatalytique.
Développement de matériaux silicium résistants aux irradiations et intégration dans des cellules photovoltaïques pour applications spatiales
Historiquement, le photovoltaïque (PV) s’est développé conjointement avec l’essor de l’exploration spatiale. Au cours des années 90, les cellules solaires multi-jonctions, basées sur un empilement de matériaux III-V, ont progressivement remplacé le silicium (Si), bénéficiant de performances et de tenues aux irradiations électrons/protons supérieures. Aujourd’hui, le contexte est favorable à un renouveau du Si spatial : besoins de puissance PV croissants, missions à durées & contraintes modérées (LEO), cellules Si terrestres très bas coût (€/W Si ~ III-V/500), émergence de nouvelles technologies Si qui présentent des rendements élevés sur Si de type p… Dans l’espace, les cellules solaires PV sont exposées aux rayonnements cosmiques, notamment aux bombardements par des protons et électrons. Ces irradiations affectent les performances des cellules Si, essentiellement en raison de la formation de défauts volumiques recombinants pour les porteurs de charge. Afin de favoriser l’utilisation de cellules Si dans l’environnement spatial, il est donc essentiel d’améliorer leur résistance aux irradiations. Il s’agit du principal enjeu de ce projet de post-doc. Pour cela, les travaux vont tout d’abord se concentrer sur l’élaboration d’un nouveau matériau silicium, avec des propriétés compositionnelles lui conférant une résistance accrue aux irradiations par les électrons. Plus précisément, le matériau contiendra des éléments limitant la formation de défauts volumiques sous irradiations, et développant des effets de passivation électrique. Les propriétés électroniques de ce matériau seront évaluées et analysées avant et après irradiation. Dans un second temps, des cellules haut rendement à hétérojonction seront élaborées à partir de ce silicium inédit, et leurs performances électriques évaluées et analysées avant et après irradiation. Les développements pourront être appuyés par des simulations numériques, effectuées à l’échelle des dispositifs PV.
Simulations massivement parallèles de piles à hydrogène PEM
L'objectif est d'améliorer le code TRUST-FC développé conjointement par le LITEN/DEHT/SAMA et DES/ISAS/DM2S/STMF/LGLS pour la simulation fine des piles à hydrogène PEM et de l'appliquer à des géométries réelles. Financé par le laboratoire virtuel commun AIDAS (CEA/FZJ), un premier travail a permis de construire le modèle électro-chimique et fluidique complet basé sur le code CEA TRUST, et de le comparer avec son homologue basé sur OpenFoam. Suite à cela, le candidat adaptera l'ensemble de la chaine de calcul à des maillages de taille croissante pour arriver à des maillages de plaques bipolaires complètes de plusieurs centaines de millions d'éléments. D'autre part, il introduira des modèles d'écoulements diphasiques afin d'adresser les enjeux technologiques actuels(problèmes d'assèchement ou de noyage local).
Cet ambitieux projet est activement soutenu par une collaboration étroite avec la DES et avec FZJ.
Modélisation des défauts sur les réseaux DC basse tension dans les bâtiments, vers des algorithmes de détection de défauts
Le développement de l'usage des énergies renouvelables et du stockage de l'énergie ainsi que les progrès faits par les composants d'électronique de puissance amènent progressivement à repenser les architectures des réseaux électriques de distribution basse tension dans les bâtiments. Ces évolutions permettront un développement des réseaux à courant continu ou mixtes alternatif-continu alimentés par des convertisseurs statiques. Sur ce type de réseau, les défauts deviennent plus difficiles à gérer du fait des sources de puissance utilisées. En effet, les signatures habituelles du court-circuit ou de la surcharge ne sont plus les mêmes et vont varier en fonction des convertisseurs utilisés et de l'architecture du réseau. Pour cela, il convient d'identifier, par la simulation, les topologies de protection les plus adaptées (par les régimes de neutre par exemple) et d'identifier les signatures types des défauts. In fine, ces signatures permettront de disposer de dispositifs de détection optimums.
Développement d'algorithmes d'intelligence artificielle pour la localisation bande étroite
Les signaux bande étroite sont largement utilisés dans le contexte des réseaux de télécommunication faible consommation, qui sont l’un des composants clé de l’internet des objets (IoT). Cependant, ces signaux ne disposant que d’une bande de fréquence limitée, ils sont peu adaptés à de la localisation de précision, en particulier dans des environnements complexes tels que centre-ville ou des canyons urbains qui perturbent fortement le trajet de l’onde. Une approche permettant de surmonter ces difficultés consiste à s’appuyer sur un modèle 3D de la ville et de ses bâtiments afin d’améliorer la modélisation de la propagation cependant les algorithmes classiques (lancés de rayons par ex.) ont montré leurs limites pour répondre à un problème aussi complexe. Afin de dépasser les limitations actuelles, le laboratoire LCOI souhaite explorer les approches à base d’intelligence artificielle (IA) qui semblent très pertinentes pour ce type de problèmes. Le laboratoire LCOI a déployé un réseau bande étroite dans la ville de Grenoble et démarré une large collecte de mesure afin de supporter ces études.
En s’appuyant sur l’analyse de la littérature existante ainsi que sur les connaissances acquises au sein du laboratoire, le candidat devra
- Superviser et contribuer à la campagne de mesures
- Exploiter les données collectées afin de mieux comprendre les caractéristiques de propagation des signaux bande étroite dans différents environnements
- Développer une chaine de simulation de la propagation des signaux
- Affiner les calculs de borne de performance d’une localisation bande étroite
- Développer des algorithmes de localisation utilisant l’intelligence artificielle ainsi que la topologie 3D, et les comparer à ceux de l’état de l’art
- Contribuer des projets au travers de son travail de recherche
- Publier son travail dans des conférences et des journaux de qualité
Irradiations de cellules silicium haut rendement pour le spatial
Historiquement, le photovoltaïque s’est développé conjointement avec l’essor de l’exploration spatiale. Au cours des années 90, les cellules solaires III-V multi-jonctions ont progressivement remplacé le silicium, bénéficiant de performances et tenue aux irradiations supérieures. Aujourd’hui, le contexte est favorable à un renouveau du Si spatial : besoins de puissance PV croissants, missions à durées & contraintes modérées (LEO), cellules Si terrestres très bas coût & performante (type-p > 26% AM1.5g). Cependant, pour les cellules Si les méthodes et séquences de vieillissement sous irradiations classiques (ECSS) sont moins appropriées. La littérature datant principalement des années 1980 – 2000, il faudra revisiter la thématique avec les cellules Si dernière génération à contacts passivés (élaborées à l’INES) et les moyens uniques d’irradiation double faisceau du CEA (plateforme JANNuS du CEA Saclay).
Ces travaux s’inscrivent dans le cadre du projet SiNRJs à l’interface entre deux directions du CEA, sur les thématiques photovoltaïques spatial & irradiations matériaux. L’approche scientifique et technologique adoptée: 1. Fabrication de cellules Si à contacts passivés (HeT et/ou Poly-Si) d’épaisseur variable 2. Caractérisations optoélectroniques des propriétés des cellules avant irradiations (IV AM1.5/AM0, EQE, etc.) 3. Irradiations protons des cellules et échantillons, caractérisations in situ (Raman et Electroluminescence) 4. Caractérisations ex situ des propriétés optoélectroniques des cellules après irradiations (IV AM1.5/AM0, EQE, etc) 5. Analyse et synthèse des résultats. Scientifiquement, les verrous à lever concernent donc la compréhension des mécanismes/dynamiques de création/guérison de défauts sous cette double excitation électronique et balistique.