Etude par dynamique moléculaire des mécanismes de déformation et de transformation de phase dans l'étain

Plusieurs transformations de phase induites par la pression ont été prédites et observées dans l'étain ; son diagramme de phase reflète en effet sa position particulière du groupe IV dans le tableau périodique des éléments pour lesquels les éléments plus légers (C, Si, Ge) ont tendance à former des liaisons covalentes. La phase la plus stable à 0K correspond à une phase diamant similaire à celles rencontrées dans les éléments plus légers. Par contre, des transitions en pression et température sont observées, associées à un changement de nature des liaisons interatomiques. Les propriétés thermodynamiques et mécaniques des différentes phases de l'étain ainsi que les transitions structurales sont assez bien connues aujourd'hui mais restent cependant difficiles à reproduire par les calculs de structure électronique.

Concernant les simulations de Dynamique Moléculaire (DM) classique, de nombreux potentiels semi-empiriques ont été proposés dans la littérature permettant de reproduire certaines parties du diagramme de phase ou certaines propriétés mais restant limités dans leurs capacités prédictives sur certaines propriétés, en particulier les constantes élastiques. Récemment des potentiels issus de l'apprentissage automatique ('Machine Learning Interatomic Potential - MLIP) ont été développés, qui améliorent la description des propriétés des différentes phases cristallines. Cependant, ces potentiels, entraînés sur des phases cristallines en température ainsi que des configurations liquides, ne prennent pas en compte les distorsions spécifiques des réseaux rencontrés lors de la déformation du matériau (formation de dislocation, maclage).

Développement d’un procédé de récupération des chlorures par précipitation – Application aux réacteurs à sels fondus

Les réacteurs à sels fondus (RSF) représentent une option innovante pour une énergie nucléaire plus durable et sûre.
Ils utilisent des sels chlorures liquides contenant des actinides, permettant de fermer le cycle du combustible.
Au cours de leur fonctionnement, ces sels s’enrichissent en produits de fission et impuretés, nécessitant un traitement chimique.
L’enrichissement en chlore ³7Cl vise à limiter la formation du ³6Cl, isotope radioactif à très longue période.
La maîtrise et le recyclage des ions chlorure constituent donc un enjeu majeur.
Le CEA développe un procédé hydrométallurgique de précipitation pour récupérer le chlore enrichi sous forme solide.
Ce procédé est compatible avec les installations industrielles de La Hague, en partenariat avec Orano.
La recherche étudie l’influence des actinides et produits de fission sur la précipitation et leur rétention dans le solide.
La solubilité et la pureté du précipité sont analysées par diverses techniques physico-chimiques.
Des protocoles de purification sont optimisés en cas de contamination.
Une fois purifié, le précipité est recyclé pour produire du chlore réutilisable, notamment par électrolyse ou réactions rédox.
Ce travail s’inscrit dans le développement de réacteurs innovants et bénéficie d’un fort soutien scientifique et industriel.

Développement de méthodes d’analyses isotopiques et élémentaires sur combustible irradié pour la réduction des quantités de matière.

L’objectif de ce sujet post-doctoral est de mettre au point des méthodes d’analyse pour la réduction globale des quantités de matières associées aux analyses isotopiques multi-élémentaires (actinides et PF) de haute précision de combustibles nucléaires irradiés, notamment par l’utilisation de nouvelles méthodes d’introduction « faibles quantités » sur ICPMS multi collecteur. Ces développements permettront notamment de réduire les quantités de déchets radioactifs (consommables et effluents), le débit de dose et le temps d’exposition analystes/échantillons radioactifs associés à ce type d’analyses.
Pour mener à bien ce projet, le(a) candidat(e) réalisera des développements analytiques en zone contrôlée pour réduire au maximum les quantités d’éléments requis pour analyse tout en maintenant ou en améliorant les niveaux d’incertitudes par comparaison aux méthodes actuellement disponibles.

Développement de catalyseurs pour les cellules électrochimiques haute température appliqués à la synthèse d’ammoniac

Le projet vise à développer de nouveaux catalyseurs et électrodes pour la synthèse électrochimique d’ammoniac (NH3) à haute température (400–650 °C), en utilisant des cellules à oxyde solide (SOEC) et protoniques (PCEC). L’ammoniac est un produit clé pour l’industrie des engrais, un carburant prometteur et un vecteur de stockage d’hydrogène. Contrairement au procédé Haber-Bosch très énergivore et carboné, la voie électrochimique permet une production plus durable, avec zéro émission de CO2 si l’électricité est décarbonée. Le post-doctorant participera à l’identification et à la mise en forme de catalyseurs (ex. Ru/YSZ, Fe/YSZ, Mn4N/BCZY), à leur intégration dans des électrodes, et à l’évaluation des performances électrochimiques. Le travail associe catalyse, électrochimie, caractérisation avancée et modélisation énergétique, en collaboration avec des équipes CEA et partenaires académiques.

Méthode analytique miniaturisée dédiée au criblage de molécules candidates pour la capture et l’élimination de radionucléides

Ce projet vise à développer un dispositif miniaturisé multiplexe, dédié au criblage du pouvoir chélatant de molécules potentielles pour la décorporation de certains radionucléides (RN) issus de l’industrie électronucléaire, pour lesquels les traitements actuels ne sont pas satisfaisants. L’objectif est d'accélérer l'identification des molécules chélatantes les plus prometteuses, tout en bénéficiant des gains liés à la miniaturisation comme la consommation de très faibles quantités de molécules et de RN. Lors d'un projet précédent, un monolithe phosphaté de différentes longueurs a été greffé in-situ et caractérisé dans des capillaires de 100 µm de diamètre interne. Les quantités d’UO22+, Zr4+, Sr2+, Co2+, Cs+ et Ag+ immobilisés sur ces phases monolithiques ont été mesurées en ligne par couplage avec l'ICP-MS. Sur la base de ces acquis, le/la candidat.e sera en charge de développer et valider la méthode miniaturisée de criblage avec l’UO22+, pour lequel des données et des molécules chélatantes sont disponibles, d'étendre l’approche prioritairement à Zr4+, Sr2+, Co2+, fabriquer le dispositif microfluidique intégrant les micro-canaux parallèles pour à terme cribler des molécules candidates envers des RN distincts dans un microsystème fluidique unique.

Etude thermodynamique de matériaux photoactifs pour les cellules solaires

Le développement de la production d'énergie électrique par la voie solaire photovoltaïque nécessite la mise au point de nouveaux matériaux pour la conversion du rayonnement solaire en paires électrons-trous. Les pérovskites hybrides organiques-inorganiques (HOIP), de type CsPbI3 avec des substitutions notamment de Cs par des ions formamidinium (FA) et/ou méthylammonium (MA) sont apparues comme des matériaux très prometteurs en termes de performances et de fabrication. Les substitutions de Cs par des éléments comme Rb, de Pb par Sn et I par Br sont également évoquées pour améliorer la stabilité ou les performances. La synthèse et l’optimisation de la composition de couches de tels matériaux nécessitent une meilleure connaissance de leurs propriétés thermodynamiques d'équilibre et de leur stabilité. L'objectif est de construire un modèle thermodynamique du système Cs-Rb-FA-Pb-Sn-I-Br. Le projet a débuté par le ternaire Cs-Pb-I qui a donné lieu à un article [1]. L'étape suivante portera sur le système ternaire Cs-Pb-Br puis sur le quaternaire Cs-Pb-I-Br. La démarche utilise la méthode CALPHAD, centrée sur la construction d'une base de données et d'une formulation analytique de l’énergie de Gibbs des phases, capable de reproduire les données thermodynamiques et de diagramme de phase. Une revue critique des données de la littérature permet d'initialiser cette base de données et d’évaluer les données manquantes qui sont ensuite acquises par des expériences et par des calculs de DFT.

Application de la microfluidique à la séparation d'actinides dans des échantillons nucléaires par chromatographie

L'objectif de ce contrat post-doctoral est le développement d'une méthode de séparation chromatographique des produits de fission, de l'uranium et du plutonium contenus dans des échantillons nucléaires avec un volume de résine réduit d'un facteur 10 au moins. Le travail se concentrera autour de trois axes de recherche.

Le premier axe consistera à optimiser la méthode de séparation miniaturisée. L'influence de la méthode de remplissage du système, de la pression appliquée lors de la séparation et de la composition des éluants sera étudiée en comparant les chromatogrammes obtenus et en calculant les facteurs de décontamination associés. Ces développements seront effectués sur des échantillons simulés puis contenant du plutonium. La maîtrise de l'étape d'ajustement de l'état d'oxydation du plutonium sera ainsi nécessaire pour maximiser les facteurs de décontamination. Un second axe de développement se focalisera sur la conception d'un système simple à utiliser pour l'opérateur et minimisant les étapes de manipulation en boîte à gants afin de diminuer l'exposition aux rayonnements ionisants. L'expérience du laboratoire en conception de montages expérimentaux miniaturisés et en micro-fabrication sera ainsi mise à profit. Le dernier axe de développement consistera à appliquer les développements des deux premiers axes à la détermination de la composition isotopique d'échantillons nucléaires par TIMS ou MC-ICP-MS en zone contrôlée radiologiquement avec des incertitudes de l'ordre du pour-mille.

Interactions Spin-Réseau dans les Simulations ab initio assistées par Apprentissage Automatique

Le domaine scientifique abordé par ce projet postdoctoral se situe à l’intersection de la dynamique moléculaire ab initio, de l’apprentissage automatique et de la caractérisation thermodynamique des matériaux soumis à des conditions extrêmes. Les simulations AIMD traditionnelles constituent un outil puissant pour étudier les propriétés dépendantes de la température et de la pression à partir des premiers principes, mais leur coût computationnel élevé en limite l’utilisation à grande échelle.
En développant et en appliquant des techniques d’échantillonnage assistées par apprentissage automatique (MLACS), ce projet postdoctoral vise à réduire drastiquement la charge de calcul tout en conservant la précision ab initio. Cela permet une exploration efficace des diagrammes de phases et des énergies libres, y compris dans des conditions de pression et de température extrêmes. Cette recherche vise à contribuer à la compréhension et à la modélisation des matériaux, tout en offrant à la communauté scientifique des outils de rupture.

Construction de diagrammes de phases ab initio par inférence bayésienne

Investigation Expérimentale et Modélisation Thermodynamique des Phases du Corium Formées lors d’Accidents Nucléaires Sévères (24 mois)

Lors d'accidents graves dans des réacteurs à eau sous pression, le combustible en dioxyde d'uranium (UO2) réagit avec la gaine en zirconium et la cuve en acier, formant un mélange de phases liquides et solides appelé "corium en cuve". En cas de rupture de la cuve, ce corium se propage et réagit avec la dalle en béton pour former le "corium hors cuve". Ce phénomène s'est produit lors des accidents de Tchernobyl et de Fukushima. Pour simuler ces différentes étapes, les codes multi-physiques nécessitent des données thermodynamiques et thermophysiques précises sur les diverses phases du corium. Ce projet vise à combler ce manque de données grâce à des mesures expérimentales et à de la modélisation. Les travaux consisteront à synthétiser des échantillons, à mesurer les températures liquidus et solidus et les densités des liquides, ainsi qu’à caractériser les échantillons à l’aide de techniques avancées. De plus, le dispositif de chauffage laser combiné à la lévitation aérodynamique (ATTILHA) utilisé pour l’acquisition des données sera amélioré. Les résultats expérimentaux seront comparés aux modèles thermodynamiques (base de données TAF-ID), et les écarts seront résolus en utilisant la méthode CALPHAD. Les données thermophysiques seront également validées à l'aide de simulations atomistiques et d'autres techniques de mesure.