Amélioration et extension d’un modèle de champ de phase pour la simulation 3D de phénomènes d’importance dans le comportement des batteries lithium-ions

Que ce soit pour l’optimisation du temps de charge des batteries de générations actuelles ou l’augmentation de la densité de puissance pour les générations futures, l’étude du comportement des matériaux est crucial pour maîtriser les mécanismes de lithiation des matériaux d’intercalations (ex graphite) et les mécanismes de « stripping/plating » du lithium métal. Dans ce contexte, le recours à des simulations numériques par champ de phase est en plein essor; ces méthodes se prêtant à la modélisation de phénomènes dynamiques pour des systèmes multiphasiques et multiconstituants.
Récemment, un module de champ de phase 2D de TrioCFD (logiciel libre développé au CEA basé sur la plateforme TRUST) a été généralisé à un nombre arbitraire de constituants ou de phases. Ce projet post-doctoral vise à améliorer et à étendre ce module de TrioCFD à des simulations 3D performantes dans un environnement de calcul parallèle distribué. L’objectif est d’utiliser ce module pour simuler les comportements physiques d’intérêt 3D des matériaux de batteries lithium-ions susmentionnées. On s’appuiera sur des travaux champ de phase 2D récents qui ont permis d’apporter un certain nombre de réponses originales et pertinentes à ces problématiques. Le passage à des simulations 3D permettra d’offrir des perspectives scientifiques essentielles pour ces applications.
Ce travail sera réalisé dans le cadre d’une collaboration entre plusieurs équipes du CEA des centres de Cadarache, Grenoble et Saclay, réunissant des expertises variées (comportement des batteries lithium-ions, méthode de champ de phase, environnement logiciel TrioCFD et méthodes numériques).

Recyclage de plastics par l'extraction d'additifs toxiques par solvents verts

Il est important de développer les connaissances scientifiques et de stimuler les innovations en matière de recyclage des plastiques. La très grande variété d'objets en plastique que nous utilisons dans notre vie quotidienne est constituée d'un large éventail de matériaux plastiques couvrant de nombreux polymères différents, de nombreuses formulations différentes. Les objets en plastique sont également utilisés à de nombreuses fins et il est donc nécessaire de disposer de différents moyens pour les collecter, les trier et les traiter.
Les méthodes de recyclage des plastiques sont généralement divisées en quatre catégories : primaire, secondaire, tertiaire et qua-ternaire (voir figure 9). On parle de recyclage primaire ou de méthode de recyclage en circuit fermé lorsque les matériaux après recyclage présentent des propriétés égales ou améliorées par rapport aux matériaux initiaux ou vierges. Lorsque les produits recyclés présentent une diminution de leurs propriétés, on peut s'inquiéter de la méthode de recyclage secondaire ou de la méthode de recyclage en aval. Dans la méthode de recyclage tertiaire (également connue sous le nom de recyclage chimique ou de recyclage des matières premières), le flux de déchets est converti en monomères ou en produits chimiques qui peuvent être avantageusement utilisés dans les industries chimiques. Enfin, la méthode de recyclage quaternaire (également connue sous le nom de recyclage thermique, de récupération d'énergie et d'énergie à partir des déchets) correspond à la récupération des plastiques sous forme d'énergie et n'est pas considérée comme un recyclage dans le cadre de l'économie circulaire.
Divers procédés peuvent être envisagés pour le recyclage chimique, qui présentent différents niveaux de maturité. D'où ce projet qui étudiera la décontamination de diverses formulations de PVC à l'aide de solvants verts, et plus particulièrement le CO2 supercritique.

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.

Prédiction de propriétés de corrosion par le calcul thermodynamique et l'intelligence artificielle

L'objectif du projet CORRTHIA est de démontrer la pertinence de l’utilisation du calcul thermodynamique pour la prédiction de propriétés de corrosion par des modèles d'IA.
La corrosion est un phénomène complexe, difficile à décrire avec les modèles physiques actuels. C’est pourquoi la connaissance du comportement d'un matériau requiert des expériences longues. L'utilisation d'IA pour prédire les propriétés de corrosion est une méthode prometteuse pour la conception accélérée de matériaux, puisqu'elle peut limiter les expériences nécessaires en sélectionnant des matériaux pertinents. Ce thème s'inscrit dans la stratégie du CEA concernant la conception numérique de matériaux et dans les objectifs du PEPR DIADEME.
Ce travail s'appuiera sur l'expertise en matière de corrosion et de calcul thermodynamique de l'équipe de la DES et l’expérience en matière d'IA des partenaires de la DRT.
Nous considérerons l'oxydation à haute température (> 500°C) d'alliages métalliques pour limiter la gamme de compositions et les différents environnements possibles. Il est attendu que les aspects thermodynamiques jouent un rôle important dans ces conditions. La relative rareté des données de corrosion impose un travail de constitution du jeu de données (Lot 1) basé sur des données publiés dans la littérature ouverte ou internes au S2CM. Ces données seront enrichies de résultats de calculs thermodynamiques. Ce jeu de données augmenté sera utilisé pour entraîner des modèles d'IA.

Influence de la largeur de bande et de la longueur d'onde du laser sur les instabilités paramétriques

Dans le cadre du projet Taranis initié par Thales et supporté par BPI France et en collaboration avec de nombreux partenaires scientifiques tels que le CEA/DAM, le CELIA et le LULI, un travail de dimensionnement d'une cible et d'un laser destiné à la production d'énergie en attaque directe va avoir lieu. Un prérequis à ce travail, est de comprendre les mécanismes d'interaction laser-plasma qui vont se produire lors du couplage du laser avec la cible. Ces mécanismes délétères pour la réussite des expériences de fusion peuvent être régulés par l'utilisation de laser dits « large-bande ». En outre, le choix de la longueur d'onde laser utilisée pour le dimensionnement de la cible et de l'architecture laser doit être défini. L’objectif du stage est d'étudier la croissance et l'évolution de ces instabilités (Brillouin, Raman) en présence de lasers « large bande » à la fois d'un point de vue expérimental que simulation, et ainsi de pouvoir définir les conditions lasers permettant de réduire ces instabilités paramétriques.

Séparation cryogénique d'un mélange de gaz

L'exploitation d'une installation nucléaire au sein du CEA Valduc nécessite de mettre en oeuvre un procédé cryogénique pour séparer des espèces présentes dans un mélange gazeux. Le point notable est que le procédé doit permettre de séparer des espèces en très faible concentration, et sous différentes formes chimiques. Le procédé fait actuellement l'objet d'étude, et un prototype a été développé par le CEA sur le site de Grenoble. Le sujet de post-doctorat proposé consiste à participer à des essais sur le pilote et aux moyens d'analyses associées, puis de traiter les résultats obtenus. Le candidat s'insérera dans une équipe pluridisciplinaire, sur un sujet mêlant à la fois du génie des procédés, de la thermique / cryogénie et de l'analyse chimique d'éléments à l'état de trace. Les résultats obtenus sur les analyses de gaz à l'état de trace pourront être valorisés par des communications scientifiques.

L'objectif du post-doctorat sera de réaliser des essais de séparation sur le pilote. A ce titre, il sera amené à se rendre régulièrement sur le site du CEA Grenoble (lieu où se trouve le pilote) pour réaliser des campagnes d'essais. Le candidat travaillera également sur une thématique analyse, avec la mesure de composés à l'état de trace dans une matrice gazeuse. Une analyse des résultats sera ensuite réalisée, et suivie de la rédaction de documents scientifiques tels que des rapports et des communications scientifiques. L'ensemble des résultats devra permettre de définir de manière plus précise la faisabilité de la séparation envisagée et l'exploitation de ce procédé dans un environnement nucléaire.

Dans le cadre de ses missions, il est attendu du post-doctorant les qualités suivantes : capacité d'adaptation, travail en équipe, rigueur et capacité à rendre compte.

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.

Microsystème séparatif couplé à la spectrométrie de masse pour la purification et la caractérisation en ligne d’échantillons nucléaires

La miniaturisation d’étapes analytiques communément effectuées en laboratoire présente de nombreux avantages et en particulier dans le secteur nucléaire, pour lequel la réduction de consommation de matières et de production de déchets est d’intérêt majeur. Dans ce contexte, un des axes du laboratoire est la miniaturisation d’outils analytiques, notamment de techniques séparatives par chromatographie.
Dans ce projet, il s’agira de réduire l’échelle des étapes de purification d’échantillons nucléaires par chromatographie d’extraction sur phase solide, en amont des processus d’analyse. L’obtention de ces dispositifs d’extraction miniaturisés repose sur la synthèse et l’ancrage in situ de monolithes dans les canaux de microsystèmes en copolymère d’oléfine cyclique (COC). Ce matériau étant chimiquement inerte, des stratégies de fonctionnalisation du COC sont en cours de développement au laboratoire pour greffer de façon covalente des sites réactifs à sa surface, avant d’ancrer localement des monolithes spécifiques des actinides aux parois des micro-canaux. L'objectif est de concevoir et fabriquer des microsystèmes d’extraction chromatographique en COC, de les mettre en œuvre pour des purifications chimiques et des mesures par spectrométrie de masse, hors ligne et en ligne

Développements expérimentaux et technologiques d’un procédé de minéralisation de déchets liquides organiques par plasma

Le procédé ELIPSE développé au CEA permet la destruction des liquides organiques par injection dans un plasma de forte puissance.
Si la faisabilité de destruction de différents composants organiques à des débits de quelques litres par heure est aujourd’hui démontrée, les essais doivent maintenant être approfondis pour des liquides organiques de références pertinemment choisis en fonction des gisements existants.
Ces études, sur la base des données de caractérisations des LOR (Liquides Organiques) choisis, auront pour objectif d’apporter des résultats de procédé détaillés obtenus avec des conditions opératoires les plus représentatives, pour permettre une évaluation complète et quantitative du procédé. Cela permettra d’établir des données d’exploitation, de robustesse et d’endurance du procédé.
Ces travaux incluront l’étude du comportement des radioéléments dans le procédé qui sera indispensable à l’étude de nucléarisation : il s’agira d’étudier le comportement physico-chimique des actinides lors de leur traitement via l’utilisation de simulants inactifs.

Étude thermodynamique des matériaux à transition métal-isolant - Le cas du VO2 dopé pour les applications de fenêtres intelligentes

Ce post-doc vise à développer une base de données thermodynamiques spécifique sur le système V-O-TM (TM=Fe,Cr,W) en utilisant l'approche CALPHAD. Le candidat mènera des campagnes expérimentales afin d'obtenir des données pertinentes pour alimenter les modèles thermodynamiques. Le candidat utilisera principalement l'équipement expérimental disponible au laboratoire (DTA, fours de recuit, spectrométrie de masse à haute température, chauffage laser, SEM-EDS). En outre, le post-doc pourra participer à des activités combinatoires à haut débit menées par d'autres laboratoires du consortium Hiway-2-Mat (par exemple, ICMCB à Bordeaux), permettant une meilleure connexion entre les résultats de la simulation CALPHAD et la plateforme de caractérisation accélérée. La base de données thermodynamiques sera ensuite incluse dans la routine de recherche autonome mise en œuvre dans la voie d'exploration des matériaux.

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