Echangeurs d’ions hybrides pour le traitement des Liquides Organiques Radioactifs : aide au design par dynamique moléculaire

Le projet ECCLOR (Projet labellisé ‘Investissement pour le future’) se concentre sur le traitement des effluents organiques radioactifs en développant des matériaux poreux capables d'éliminer sélectivement les ions émetteurs alpha. Les recherches menées au CEA ont permis de concevoir des matériaux hybrides avec des performances variables dans la capture des émetteurs alpha présents dans les liquides organiques. Comprendre ces performances à l'échelle moléculaire est essentiel mais complexe.
Pour répondre à ce défi, ce contrat post-doctoral se penche sur l'utilisation de la dynamique moléculaire classique pour rationaliser ces performances. Les travaux seront menés au laboratoire LILA du centre de recherche de Marcoule, profitant de l'expertise des équipes spécialisées dans la modélisation des systèmes solide/liquide par dynamique moléculaire classique.
Pour soutenir ces simulations, des données expérimentales pourront être fournies par des laboratoires tels que le Laboratoire des Procédés Supercritiques et de Décontamination (LPSD) et le Laboratoire de Formulation et Caractérisation des Matériaux minéraux (LFCM). Les résultats obtenus seront examinés lors de réunions d'avancement et feront l'objet de publications scientifiques.
En résumé, ce contrat post-doctoral vise à coupler des approches théoriques à l’expérience. La compréhension des interactions au sein de ces matériaux à l’échelle moléculaire est essentielle afin d’apporter des éléments de compréhension et améliorer les procédés actuellement en cours d’étude.

Recyclage batteries : developpement et compréhension d'un nouveau concept de désactivation des batteries lithium ion domestiques

Le marché des batteries domestiques (équipements électroniques, portatifs, téléphones) connait une croissance exponentielle. D'ici à 2023, ce marché devrait progresser de plus de 30%. Avec l'adoption récente de la nouvelle réglementation européenne sur le recyclage des batteries et l'urgence de développement de nouveaux procédés plus sécuritaires et plus respectueux de l'environnement, il est aujourd'hui nécessaire de développer un nouveau procédé de désactivation des batteries lithium ion domestiques.
Le procédé à développer devra être versatile(adresser les différents types de chimies de batteries), être continu, sécuritaire, contrôlable et économique.
Pour développer ce nouveau concept, une première étape visera à la définition de systèmes chimiques adaptés en utilisant un dispositif laboratoire. Les mécanismes électrochimiques et physico chimiques mis en jeu seront ensuite caractérisés et validés. Enfin quelques tests de validation de la technologie seront réalisés en environnement représentatif sur la plateforme de tests abusifs du CEA.

Conception de nouveaux outils microfluidiques pour les procédés chimiques d’extraction liquide-liquide

Cette proposition de post-doc de 12 mois s’inscrit dans le cadre du PIA MiRAGe : Plan d’Investissement Avenir « Outils Microfluidiques pour une R&D Accélérée sur les procédés de recyclaGe ».
Le projet MIRAGE vise à proposer un ensemble d’outils, plateformes et méthodes micro et millifluidiques permettant d’accélérer, intensifier et de rendre plus flexibles la R&D sur les nouveaux procédés de recyclage de métaux stratégiques (nucléaires ou non nucléaires) tout en minimisant les quantités de matières mises en œuvre.
Pour ce faire de nouveaux outils microfluidiques ont été conçus au CEA ISEC pour réaliser des opérations d’extraction liquide-liquide à contre-courant. Ces outils permettent de bousculer les ordres de grandeur dans l’importance des phénomènes physico-chimique mis en œuvre.
L’intérêt de cette invention est double et sera le cœur de travail de ce post-doc :
-Effectuer des opération d’extraction sur des temps et des volumes liquides très faibles.
-Transposer cette invention à des volumes plus importants.
Ainsi, dans un premier temps ce travail de post-doc cherchera à étudier plus en détail les capacités de ce nouveau dispositif microfluidique, puis à transposer cette nouvelle technique à des contacteurs plus volumineux.
Le travail sera effectué dans les installations de l’ISEC au CEA, sur le site de Marcoule en partenariat avec le CNRS, Universités et l’INP de Toulouse.

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.

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.

Modélisation CFD des mouvements de gaz en cavités salines

Storengy, société du groupe Engie, est l’un des leaders mondiaux en matière de stockage souterrain de gaz. Storengy opère en particulier des cavités salines de stockage de gaz naturel. Les cavités sont localisées dans des couches de sel gemme à environ 1km de profondeur ; elles ont un volume de plusieurs centaines de milliers de m3. Ces stockages souterrains assurent une réponse rapide aux pics de consommation de gaz et également à la modulation saisonnière de la demande. Ils contribuent aussi à la sécurité de la fourniture d’énergie en permettant de faire face aux défaillances temporaires de sources d’approvisionnement de gaz naturel.
Storengy SAS s’est tourné, courant 2019, vers le CEA pour avoir un appui sur ces aspects. Une étude intitulée « Modélisation du stockage de gaz (CH4 et H2) en cavités salines avec TrioCFD » s’est déroulée en 2020. Des premiers calculs pour des cavités parallélépipédiques (géométrie simplifiée) en VDF (différences finies) monophasique en régime incompressible et quasi-compressible ont été menés. Ceux-ci ont mis en évidence que le modèle quasi-compressible implémenté dans TrioCFD ne permettait pas de prendre en compte les effets de la stratification du gaz en cavité. Un nouveau modèle « weakly-compressible » a été développé afin de rendre compte de la spécificité des écoulements en cavité.
L'objectif est de poursuivre ces travaux et de développer une modélisation thermo-hydraulique sur la base du modèle TrioCFD du stockage d’hydrogène en cavité dans des cavités de forme réaliste et en tenant des conditions d’opération des cavités (phases d’injection et de soutirage). Les simulations seront, dans un premier temps, réalisées
en gaz sec en tenant compte des échanges thermiques avec le massif, puis de en prenant en compte des échanges de masse avec la saumure.

La carbonisation hydrothermale en tant que prétraitement des déchets avant leur conversion thermochimique par gazéification

La gazéification, transformation thermochimique généralement réalisée à environ 850°C, permet de produire un gaz utilisable en cogénération, ou pour la synthèse de produits chimiques ou de carburants. Des verrous subsistent essentiellement pour la gazéification de déchets d'origine biogénique ou fossile : alimentation irrégulière dans le réacteur due à une hétérogénéité en forme et composition ; formation de polluants inorganiques gazeux (HCl, KCl, NaCl, H2S) ou organiques (goudrons), qui gênent le procédé et/ou diminuent son efficacité, et doivent impérativement être nettoyés avant l’application finale.
L'objectif du post-doctorat sera de tester et d'optimiser une étape de prétraitement de la ressource par carbonisation hydrothermale (HTC). Cette transformation est réalisée à 180-250°C, dans un milieu humide et pressurisé (2-10 MPa). Le produit principal est un résidu solide carboné (hydrochar), valorisable par gazéification. L’HTC vise à limiter le relâchement de polluants organiques et inorganiques lors de la gazéification, et à homogénéiser et améliorer la forme physique de la ressource.
La démarche s’appuiera sur : des expérimentations en réacteurs batch sur des ressources et matériaux modèles préalablement sélectionnés, associées à une quantification et analyse des produits formés ; une analyse des résultats visant à élucider les liens entre la ressource et les propriétés de l’hydrochar en fonction des conditions opératoires ; une évaluation des rendements matière et énergie du procédé HTC-gazéification.

Modélisation et évaluation de la e-raffinerie CO2 du futur

Dans le contexte de l'atteinte des objectifs de neutralité carbone en 2050, le CEA a porté une initiative de projet en 2021 qui consiste à évaluer la pertinence du couplage entre un système électronucléaire et un dispositif de capture directe du carbone atmosphérique au travers d’une valorisation de la chaleur fatale du système.
Intégré(e) dans une équipe d'une vingtaine d'experts (évaluation des systèmes énergétiques, ingénierie technico-économique, modélisation de systèmes énergétiques, optimisation, programmation informatique), le candidat participera à un projet de recherche concernant la modélisation et l’évaluation d’une raffinerie du CO2 dédiée à la production de Jet Fuel alimentée par un réacteur nucléaire et couplée avec un procédé de capture de CO2 atmosphérique.

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