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.
Calcul de la conductivité thermique du combustible UO2 et l’influence des défauts d’irradiation
L’étude du comportement sous irradiation du combustible nucléaire fait l’objet de simulations dont les résultats dépendent étroitement de ses propriétés thermiques et de leurs évolutions avec la température et l’irradiation. La conductivité thermique de l’oxyde 100% dense peut à présent être obtenue par dynamique moléculaire à l’échelle du monocristal, en calculant les constantes de forces d’ordre 2, 3 et 4[1], mais l’effet de défauts comme les défauts induits par l’irradiation (boucle d’irradiation, amas de lacunes) voire même des joints de grains (céramique avant irradiation) restent difficiles à évaluer de façon couplée.
L’ambition de ce travail est d’inclure des défauts dans des supercellules et de calculer leur effet sur les constantes de force. En fonction de la taille des défauts considérés nous utiliserons soit la DFT soit un potentiel empirique ou numérique pour effectuer la dynamique moléculaire. AlmaBTE permet de calculer la diffusion des phonons par des défauts ponctuels [2] et le calcul de la diffusion des phonons par les dislocations et leur transmission à une interface ont aussi été récemment implémentés. Ainsi, le chaînage calculs atomistiques / AlmaBTE permettra de déterminer l’effet de la miscrostructure polycristalline et des défauts d’irradiation sur la conductivité thermique. A l’issue de ce post-doc, les propriétés obtenues seront utilisées dans les outils de simulation existants afin d’estimer la conductivité d’un élément de volume (effet additionnel de la microstructure notamment du réseau poreux, méthode FFT), donnée qui sera enfin intégrée dans la simulation du comportement de l’élément combustible sous-irradiation.
Le travail s’effectuera au sein du Département d’Études des Combustibles du CEA, dans un environnement scientifique caractérisé par une grande expertise sur la modélisation des matériaux, en collaboration étroite avec d’autres équipes du CEA à Grenoble et en région parisienne expertes des calculs atomistiques. Les résultats
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.
Rôle des conteneurs métalliques sur l'altération des verres de confinement de déchets de haute activité en conditions de stockage géologique : interactions verre-fer en réacteurs étanches à l’hydrogène .
Les déchets vitrifiés issus du retraitement des combustibles des centrales nucléaires, ainsi que leurs conteneurs et surconteneurs en acier, sont destinés à être stockés définitivement en couche géologique profonde. L'eau sera ainsi le vecteur de l'altération du verre et de la migration potentielle des éléments radioactifs. Le concept de stockage le plus avancé à ce jour prévoit que le colis de verre soit protégé pendant la phase de décroissance thermique de l'interaction avec l'eau par un surconteneur en acier non allié. Cependant, qu'il soit sous forme de fer métallique ou de produit de corrosion des aciers (oxydes, carbonates, sulfures), le fer joue un rôle significatif dans l'altération du verre.
L'objectif de ce travail est de comprendre et de quantifier les mécanismes de l'interaction verre-fer afin de renforcer la robustesse des modèles opérationnels de performance des colis de déchets utilisés pour les calculs de sûreté en situation de stockage. À cet effet, un banc de dix réacteurs instrumentés étanches à l'hydrogène a été développé au laboratoire. Il a permis la mise en œuvre d'une première série d'expériences longues de plusieurs mois qui ont concerné un verre modèle non radioactif et un carbonate de fer comme source de fer. L'objectif sera de mettre en œuvre ces expériences d'interaction en utilisant cette fois du fer métallique, plus réactif, de caractériser les solutions prélevées et les produits d'altération néoformés, avant d'interpréter les expériences à l'aide des outils de modélisation disponibles au laboratoire.
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.
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.
Application de l’intelligence artificielle à l’identification d’objets dans des images de microscopie électronique en Transmission (TEM)
La caractérisation d’objets de taille nanométrique par microscopie électronique à transmission (MET) est essentielle pour évaluer le comportement mécanique des matériaux de structure des réacteurs nucléaires ou dans le domaine de la nanotechnologie. Ces objets, visibles par contraste de phase (nanobulles) ou contraste de diffraction (boucles de dislocation ou précipités cohérents), sont des candidats de choix à l'automatisation. L'analyse manuelle de ces micrographies est souvent chronophage et non reproductible. Dans ce projet, l'objectif est de développer des outils informatiques en Python basés sur des techniques d'apprentissage automatique pour traiter des images de MET. Pour cela, le travail se décompose en plusieurs tâches:
- Recueil d’une base de données conséquente, indispensable au succès de toute approche de ce type. Dans ce projet, quatre microscopistes sont impliqués et enrichiront en permanence la base de données avec des images contenant des caractéristiques facilement reconnaissables.
- Débruitage des images et recherche des contours des objects (défauts) à la fois grâce à des logiciels en libre accès existants et à des descripteurs développés en interne. Une région d'intérêt (ROI) représentative sera générée sur les images.
- Conception de l'architecture du réseau de neurones de type CNN et apprentissage du modèle: Une identification collective sera effectuée sur l'ensemble des images afin d'identifier certaines régions (ou objets) d’intérêt (ROI). Chaque ROI est ensuite superposé à l’image initiale et est transmise au réseau de neurones pour établir des identifications particulières. Par ailleurs, les avancées récentes en matière de segmentation d'images seront intégrées au processus.
- Appréciation de la performance du modèle
Le processus sera appliqué à des défauts nanométriques formés dans des matériaux nucléaires (alliages à haute entropie sans Co, UO2) ainsi qu’à des précipités dans des matériaux d'intérêt technologique (Cr dans Cu).
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)
Modélisation des qubits de spins silicium et germanium
Les qubits de spin silicium/germanium ont fait des progrès remarquables au cours des deux dernières années. Dans ces dispositifs, l'information élémentaire est stockée sous la forme d'une superposition cohérente des états de spin d'un électron dans une hétérostructure Si/SiGe, ou d'un trou dans une hétérostructure Ge/SiGe. Ces spins peuvent être manipulés électriquement grâce au couplage spin-orbite intrinsèque (ou synthétique) et être intriqués par des interactions d'échange, permettant la mise en œuvre d'une variété de portes à un et deux qubits nécessaires au calcul et à la simulation quantiques. Les objectifs de ce postdoctorat sont de renforcer nos connaissances et de soutenir le développement des qubits de spin d'électrons et de trous basés sur des hétérostructures Si/Ge grâce à la modélisation analytique ainsi qu'à la simulation numérique avancée. Les sujets d'intérêt incluent la manipulation et la lecture du spin, les interactions d'échange dans les réseaux 1D et 2D, la cohérence et les interactions avec d'autres particules telles que les photons. Le/La candidat(e) sélectionné(e) rejoindra un projet dynamique réunissant > 50 personnes avec des expertises variées couvrant la conception, la fabrication, la caractérisation et la modélisation des qubits de spin. Il/Elle pourra commencer début 2023, pour une durée maximale de trois ans.