Matériaux cristallins pour l’extraction sélectives de cations métalliques monovalents : compréhension du lien entre structure cristalline et sélectivité

L’extraction sélective de cations métalliques monovalents de solutions aqueuses de compositions complexes est une étape clé dans de nombreux domaines liés à l’énergie. Au cours de cette étude, des adsorbants spécifiques pour le Cs, en vue d’une décontamination d’effluents produits par l’industrie nucléaire, et pour le Li, afin de pouvoir extraire et récupérer ce métal stratégique pour le développement de batteries, seront étudiés. De par leur modularité en terme de porosité et de structure, les oxydes cristallins (type zéolithe) sont prometteurs pour extraire sélectivement de tels cations. Afin de comprendre le rôle de leur microstructure sur leurs performances et mécanismes de sorption/désorption, il est important de pouvoir identifier les sites de sorption sélectifs au sein de ces structures cristallines.
L’objectif de ce travail de recherche est ainsi, d’une part, de synthétiser des structures cristallines permettant la sorption sélective du Cs ou du Li. Puis, grâce à des caractérisations fines à l’échelle atomique ainsi que des travaux de reconstruction de structures, nous allons chercher à identifier la localisation des sites sélectifs de sorption au sein de ces matériaux et, de cette manière, mieux comprendre leurs mécanismes et propriétés de sorption.
Pour ce contrat post-doctoral, nous recherchons un docteur en science des matériaux possédant de fortes compétences en synthèse et en caractérisation de matériaux cristallins par diffractions des rayons X. Une expérience sur l’étude d’oxydes cristallins, type zéolithe, serait un plus.

Limitation de la réaction alcali-silice au sein de bétons formulés pour le conditionnement de concentrats d’évaporation

La production d’électricité d’origine nucléaire génère des déchets radioactifs dont la gestion constitue un enjeu industriel et environnemental de premier plan. Ainsi, les effluents aqueux de faible ou moyenne activité peuvent être concentrés par évaporation, puis immobilisés en matrice cimentaire avant d’être envoyés en stockage. Des interactions peuvent néanmoins se produire entre certains constituants du déchet et les phases cimentaires ou les granulats et affecter la stabilité du matériau obtenu. Ainsi, la formation d’une substance gélatineuse a-t-elle été observée à la surface de certains colis de concentrats d’évaporation cimentés, produits dans les années 1980 en Belgique. Elle résulte d’une réaction entre la silice des granulats et la solution interstitielle très alcaline du matériau cimentaire. Ses propriétés diffèrent cependant de celles des gels d’alcali-réaction classiquement décrits dans le génie civil. Un travail préliminaire a permis de mieux comprendre les processus impliqués dans la formation du gel au sein des enrobés de concentrats et de caractériser ses propriétés, en lien avec sa composition et sa structure. Le projet de post-doctorat s’appuiera sur les résultats obtenus pour étudier deux approches visant à limiter le développement de la réaction alcali-silice : la diminution du taux de saturation en eau des enrobés et/ou la réduction du pH de sa solution interstitielle par carbonatation en milieu supercritique.
Ce projet de recherche s'adresse à un post-doctorant souhaitant développer ses compétences en science des matériaux et ouvrir de nouvelles perspectives pour la gestion de déchets radioactifs. Il sera mené en partenariat avec l’ONDRAF, l’Agence en charge de la gestion des déchets radioactifs en Belgique, dans le cadre d’une collaboration entre deux laboratoires du CEA Marcoule, le Laboratoire d’Etude des Ciments et Bitumes pour le Conditionnement et le Laboratoire d’Etude des Procédés Supercritiques et de Décontamination.

Rhéologie des fontes verrières cristallisées

La formulation d’un verre de conditionnement de déchets radioactifs résulte d’un compromis entre le taux de charge en déchet, la faisabilité technologique du verre, et son comportement à long terme. Jusqu’à ce jour, tous les verres borosilicatés formulés par le CEA et élaborés à l’usine de La Hague par ORANO pour le conditionnement des déchets nucléaires présentent une fonte verrière homogène. Cela signifie qu’actuellement, les formulations verrières sont déterminées afin d’éviter tout dépassement des limites de solubilité des éléments présents dans les flux de déchets, ce afin d’éviter les phénomènes de séparation de phase (impliquant typiquement les éléments Mo, S, P) et / ou de cristallisation (impliquant typiquement les terres rares, Fe, Ni, Cr, Zn, Al, Ce, Re, Cs, Ti…) conduisant à une fonte verrière diphasique (liquide-liquide ou liquide-solide).
Aujourd’hui, le CEA souhaite étudier l’impact de la présence de particules en suspension dans un bain de verre fondu et au sein du colis de verre final respectivement sur la faisabilité technologique des verres et son comportement à long terme.
L’étude proposée ici se focalise sur la faisabilité technologique des fontes verrières cristallisées, les autres aspects étant étudiés par ailleurs. Il est en effet connu que la présence d’hétérogénéités solides dans la fonte verrière conduit à une modification des propriétés physiques de la fonte – en particulier sa rhéologie, et ses conductivités thermique et électrique, et peut engendrer des phénomènes de sédimentation. Or, ces propriétés physiques sont justement au cœur du fonctionnement des procédés de vitrification et de leur modélisation magnéto-thermo-hydraulique.
Ce post-doc aura donc pour objectif d'étudier l’impact de la présence de cristaux sur la rhéologie des fontes verrières, en vue de mieux maitriser le fonctionnement et la modélisation des procédés de vitrification.

Modélisation de l’altération du combustible irradié en milieu saturé avec effet de la température

La modélisation de l'altération des combustibles irradiés dans l'éventualité d'un entreposage de longue durée en piscine ou d'un stockage géologique profond est essentiel pour prédire leur comportement à long terme. Dans l'éventualité d'un assemblage défectueux et d'un contact direct entre le combustible et l'eau, l'altération par l'eau peut conduire à une dégradation des crayons et au relâchements des radionucléides en solution. Un modèle géochimique couplant la chimie au transport (transport réactif) a fait l'objet de premiers développements en lien avec le comportement des combustibles en situation de stockage géologique profond. La plate-forme HYTEC développée par l'Ecole des Mines de Paris a été utilisée pour ces premiers développements de simulation. Ces simulations menées à 25°C prennent en compte les mécanismes d'altération des combustibles, les cinétiques réactionnelles associées et des bases de données thermodynamiques robustes. Il est aujourd'hui important dans le cadre de ce post-doctorat de poursuivre ces développements dans une gamme de température allant jusqu'à 70°C. le modèle existant devra également être adapté à d'autres conditions que celles d'un stockage et notamment à la situation d'un entreposage de longue durée dans des piscines dédiées.

Développement de la spectroscopie de masse à temps de vol tandem pour les applications en microélectronique.

Le CEA-LETI cherche à recruter un chercheur ou une chercheuse postdoctoral(e) pour développer des nouvelles applications de spectrométrie de masse des ions secondaires à temps de vol (TOF-SIMS) pour des applications en micro et nanotechnologies. Le ou la candidat(e) travaillera avec un nouvel instrument équipé avec un spectromètre de masse à temps de vol tandem, un FIN in-situ et un canon à cluster d’argon. Le projet de recherche sera articulé autour de trois axes ;

• Développent des méthodes corrélatives entre TOF-SIMS, AFM, XPS et Auger
• Amélioration de la sensibilité et efficacité des fragmentions dans la spectromètre tandem MS
• Développement des applications 3D FIB-TOF-SIMS amélioration de la résolution spatiale.

Le ou la candidat(e) aura accès à une gamme étendu d’instruments à l’état de l’art sur la plateforme de nanocaractérisation du CEA Grenoble, pourra bénéficier des échantillons fait à façon issus des différentes filières technologiques du LETI. Ce projet sera mené en étroite collaboration avec l’équipementier.

Etude et réalisation de composites C/SiC

Nous recherchons, pour différentes applications, des matériaux qui possèdent des propriétés mécaniques élevées à haute température (1000°C ou plus) et résistant à l’oxydation. La famille des matériaux Composites à Matrice Céramique (CMC), en particulier les C/SiC, semble la plus pertinente vis-à-vis de notre besoin. Cependant, il est nécessaire de mener des études pour déterminer les solutions les plus performantes parmi la grande variété des types d’architectures fibreuses et des microstructures de matrice possibles, tout en tenant compte des contraintes liées aux procédés disponibles et aux géométries visées. Ces travaux seront menés en relation avec d’autres laboratoires du CEA.

Composites nano-silicium/graphène pour batteries lithium-ion à haute densité d’énergie

Le sujet s’inscrit dans un projet H2020 inclus dans le Core 2 du Flagship Graphene (2018-2020), portant sur les applications du graphène dans le stockage de l’énergie. Pour les batteries Li-ion, le graphène est associé en composite avec du silicium nano-structuré pour augmenter la capacité énergétique. Le graphène enrobe le silicium, réduisant sa réactivité avec l’électrolyte et la formation de la couche de passivation (SEI), et maintient une conductivité électrique élevée dans l’électrode.
L’étude porte sur 2 technologies : l’optimisation de composites graphène-nanoparticules de Si déjà explorés dans ce projet, et la mise au point de composites inédits graphène-nanofils de Si pour comparaison. Elle sera menée dans deux laboratoires du CEA en étroite collaboration : au LITEN (recherche technologique) spécialisé dans les batteries pour le transport, et à l’INAC (recherche fondamentale) spécialisé dans la synthèse de nanomatériaux.
Le/la postdoc fera la synthèse des nanofils de Si pour ses composites par le procédé de croissance en masse récemment breveté à l’INAC. Elle/il sera en charge de la formulation des composites selon le savoir-faire du LITEN et de leur mise en œuvre en pile bouton pour tests en cyclage. Il/elle mènera une comparaison systématique du comportement électrochimique des deux types de composites à base de nanoparticules et de nanofils. La comparaison s’appuiera sur une étude du mécanisme de perte progressive de capacité et de formation de la SEI grâce aux outils de caractérisation disponibles au CEA Grenoble et dans le consortium du projet : diffraction X, microscopie électronique, spectroscopies XPS, FTIR, RMN. Elle/il participera aux travaux du consortium international (Cambridge UK, Gênes Italie, Graz Autriche).
Le contrat postdoctoral est attribué pour 2 ans.
On recherche un docteur en sciences des matériaux avec expérience en nanocaractérisation, nanochimie et/ou électrochimie.
Les candidatures sont attendues avant le 31 mai 2018.

Etude la physisorption d’espèces chimiques sur des surfaces sensibles lors des transferts en mini-environnement contrôlés en microélectronique

Une plateforme de caractérisation basée sur le concept de connexion entre équipements de procédés et de caractérisation par l’intermédiaire d’une valise de transfert sous vide a été montée permettant une caractérisation quasi in-situ des substrats et matériaux de la microélectronique. Ce concept de transfert, basé actuellement sur le simple vide statique dans une valise est satisfaisant vis-à-vis du taux résiduel de O et C à la surface de matériaux particulièrement sensibles (Ge, Ta, Sb, Ti, …) et les croissances par MOCVD sur les GST ou les III/V, ou l’analyse des couches réactives après gravure plasma. Son optimisation pour des applications plus exigeantes (collage moléculaire, reprise épitaxie) en termes de préservation des surfaces nécessite de mieux comprendre l’évolution physico chimie des surfaces.
Le travail proposé portera sur des études physico chimiques de l’évolution et de la contamination moléculaire des surfaces lors des transferts et se déroulera en salle blanche. L’XPS, la TD-GCMS et la spectrométrie de masse sur la boite elle-même (à implémenter), seront utilisés pour adresser l’origine (parois, joints, environnement gazeux, …) des espèces chimiques adsorbées et déterminer les mécanismes de physisorption à la surface des substrats. Les surfaces étudiées seront suffisamment sensibles à la contamination pour extraire l’influence de l’environnement de la boite et les paramètres explorés seront la nature des joints utilisés, l’influence de l’étuvage de la boite, le niveau de vide, l’utilisation d’un mini environnement gazeux à basse pression dans la boite (nature du gaz, pression,…)

ELABORATION DE MONOLITHES INORGANIQUES FONCTIONNALISES PAR DES NANOPARTICULES

Depuis sa création en 2008, l’Institut de Chimie Séparative de Marcoule (ICSM) et plus particulièrement le Laboratoire des Nanoparticules pour l’Energie et le Recyclage (LNER) a acquis une compétence de synthèse et de caractérisation des matériaux poreux (BET, MEB, MET, SAXS). Notamment, la voie de synthèse de monolithes de silice à porosité hiérarchisée (mésoporeux et macroporeux) utilisant une émulsion d’huile dans de l’eau est maintenant bien maîtrisée. Ce contrat post-doctoral est destiné au développement de l’étape suivante de fonctionnalisation de ces matériaux pour les rendre pertinents au regard de multiples applications.
La voie de synthèse originale de ces monolithes, et notamment l’élaboration d’une émulsion dans le mode opératoire, permet d’envisager des méthodes de fonctionnalisation innovantes. Il serait ainsi très prometteur d’utiliser l’interface séparant les phases aqueuse et organique pour y placer des nanoparticules (NP) d’intérêt. Dans le cas qui nous intéresse le but est de préparer une émulsion à haute teneur en phase interne (>50%vol) stabilisée à la fois par des tensioactifs (nécessaire pour la mésoporosité) et par des NP d’intérêt pour fonctionnaliser la macroporosité. Les NP sont choisies pour couvrir les applications de décontamination des effluents (zéolithe, nonatitanate, clathtrate).

Elaboration et caractérisation de matériaux composites SiCf/SiC à conductivité thermique améliorée

Les matériaux composites SiCf/SiC à matrice céramique sont actuellement envisagés comme matériaux de structure et de gainage des réacteurs nucléaires à neutrons rapides de 4ième génération. Cependant, leur utilisation pourrait être limitée du fait de leur trop faible conductivité thermique en conditions de fonctionnement (< 10 W/mK).
Les composites SiCf/SiC sont aujourd’hui élaborés par un procédé d’infiltration en phase gazeuse (CVI). Afin d’améliorer leur conductivité thermique (réduction de la porosité), il est envisagé de développer un procédé d’élaboration hybride combinant le procédé CVI et un procédé céramique en voie liquide.
L’objectif de cette étude est de déterminer les conditions d’élaboration de la matrice SiC par un procédé en voie liquide, puis de qualifier le comportement des matériaux hybrides aux plans mécaniques et thermiques, notamment par rapport à celui d’un matériau CVI de référence.

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