Modèle de microémulsion : Vers la prédiction des procédés d’extraction liquide-liquide
Cette thèse de modélisation multi-échelle a pour objectif de développer des approches théoriques et des outils numériques innovants pour révolutionner les procédés d’extraction des métaux stratégiques, comme l’extraction liquide-liquide dont les mécanismes sous-jacents restent encore mal compris. Pour répondre à ces enjeux, les phases solvants seront représentées par des microémulsions, grâce à une synergie d’approches de modélisations mésoscopiques et moléculaires.
Le volet mésoscopique reposera sur le développement d’un code basé sur la théorie des microémulsions utilisant une base d’ondelettes aléatoires. Ce code permettra de caractériser les propriétés structurales et thermodynamiques des solutions. L’approche moléculaire s’appuiera sur des simulations de dynamique moléculaire classique pour évaluer les propriétés de courbure des extractants nécessaires au passage entre les deux échelles.
Le nouveau code de calcul performant intégrera potentiellement des techniques d’intelligence artificielle pour accélérer la minimisation de l’énergie libre du système, tout en prenant en compte l’ensemble des espèces chimiques présentes avec un minimum de paramètres. Cela ouvrira la voie à de nouvelles pistes de recherche, notamment à travers la prédiction de la spéciation et le calcul des instabilités thermodynamiques dans les diagrammes de phase ternaires, permettant ainsi d’identifier des conditions expérimentales encore inexplorées.
Cette thèse, menée au Laboratoire de Modélisation Mésoscopique et Chimie Théorique à l’Institut de Chimie Séparative de Marcoule, aura des applications dans le domaine du recyclage, mais également dans le domaine des nanosciences, élargissant ainsi l’impact de ces travaux.
Le/La doctorant(e), de formation initiale en chimie-physique, chimie théorique ou physique, et ayant un fort intérêt pour la programmation, sera encouragé(e) à valoriser ses résultats scientifiques par des publications et des communications lors de conférences nationales et internationales. A l’issue de la thèse, le/la candidat(e) aura acquis un large éventail de compétences en modélisation et en chimie-physique, lui offrant de nombreuses opportunités professionnelles, tant en recherche académique qu’en R&D industrielle.
Étude des transitoires de cristallisation des oxalates d’actinides
Les besoins croissants en énergie et l’urgence climatique nécessitent une transition rapide vers une énergie totalement décarbonée, mixant énergies renouvelables et nucléaire durable. Dans ce contexte, la précipitation du plutonium et de l’uranium sous forme d’oxalate constitue une étape clef du procédé industriel de recyclage du combustible usé. La compréhension fine des mécanismes de cristallisation de ces oxalates constitue ainsi un enjeu fort pour un meilleur pilotage de ces opérations.
Or, il est désormais largement admis que les ions en solution s’assemblent en cristaux via une série d’états transitoires non cristallins, ce qui contredit fondamentalement toutes les théories classiques de nucléation utilisées dans les modèles de précipitation. En particulier, nous avons démontré ces dernières années que les cristaux d'oxalate de terres rares (Eu, Nd, Ce, Tb), certains utilisés pour simuler expérimentalement le recyclage de l'uranium et du plutonium, se forment via des nanogouttelettes liquides riches en réactifs qui se séparent du solvant aqueux. Ce comportement modifie la vision jusqu’à présent retenue pour la précipitation de ces oxalates et amène à s’interroger sur le comportement des oxalates d’actinide.
Le but de cette thèse est de confirmer ou infirmer que les gouttelettes minérales transitoires se forment également lors de la formation des oxalates d'uranium et de plutonium, et de déterminer si les transitoires de la cristallisation impactent les modèles de précipitation utilisés pour calibrer le procédé de recyclage du combustible nucléaire. Cette étude aura un impact non seulement sur les processus de précipitation utilisés dans le recyclage, mais fera également avancer une question fondamentale sur la cristallisation « non classique » débattue depuis longtemps.
Analyse en ligne de simulants d'actinides en solution par LIBS et IA pour les procédés de retraitement du combustible
La construction de nouveaux réacteurs nucléaires dans les années à venir implique une augmentation des capacités de retraitement du combustible. Cette évolution requiert des développements scientifiques et technologiques pour mettre à jour notamment les équipements de surveillance du procédé. L’un des paramètres à suivre en continu est la teneur en actinides en solution, donnée essentielle au pilotage du procédé, actuellement mesurée par des technologies obsolètes. On se propose donc de développer la LIBS (laser-induced breakdown spectroscopy) pour cette application, une technique bien adaptée à l’analyse élémentaire quantitative en ligne. Les spectres des actinides étant particulièrement complexes, on souhaite recourir à des approches multivariées de traitement des données, comme certaines techniques d’intelligence artificielle (IA), pour extraire l’information quantitative des données LIBS et caractériser l’incertitude de mesure.
L’objectif de la thèse est donc d’évaluer les performances de l’analyse en ligne d’actinides en solution par LIBS et IA. On visera en particulier à améliorer la caractérisation des incertitudes à travers des méthodes de machine learning, et à les minimiser fortement pour répondre aux besoins de surveillance de l’usine de retraitement du futur.
Le travail expérimental sera réalisé sur des simulants non radioactifs des actinides, et au moyen d’un équipement LIBS commercial. Les données spectroscopiques alimenteront le volet de la thèse sur le traitement des données, et sur la détermination de l’incertitude obtenue par différents modèles de quantification.
Les résultats obtenus permettront de publier au moins 2 à 3 articles dans des revues à comité de lecture, voire de déposer des brevets. Les perspectives de la thèse sont la montée en maturité de la méthode et de l’instrumentation, pour aller progressivement vers une mise en œuvre sur une installation représentative d’un procédé de retraitement.
Céramiques électrolytes pour sondes potentiométriques à oxygène dans des milieux corrosifs pour les réacteurs nucléaires avancés
Les électrolytes solides sont des matériaux qui jouent un rôle de plus en plus important dans les applications énergétiques (piles à combustibles, électrolyseur…). Parmi ceux-ci, les céramiques oxydes de structure fluorite occupent une place de choix. Convenablement dopées, elles permettent d’obtenir des conductivités électriques importantes et présentent des propriétés qui permettent de les utiliser à hautes températures ou dans les milieux extrêmes. Toutefois, ces propriétés d’usage sont très dépendantes de la microstructure de la céramique et donc de sa voie d’élaboration. Au CEA IRESNE, nous développons depuis plusieurs années des sondes potentiométriques utilisant ce type d’électrolyte pour mesurer l’oxygène (en impureté) dans les fluides caloporteurs des réacteurs avancés.
Dans ce travail de thèse, il est proposé d’étudier les liens entre la microstructure de deux matériaux fluorites, le dioxyde d’hafnium et le dioxyde de thorium dopés, et leur comportement dans des milieux agressifs, le sodium liquide ou les sels chlorures fondus. L’influence la taille de grains, la présence d’impuretés et la densité de ces oxydes qui seront élaborés par voie humide sur la cinétique de corrosion en milieu sodium permettra de déterminer les mécanismes de corrosion. Le but est d’optimiser la durée de vie en fonctionnement de ces céramiques pour réaliser des sondes potentiométriques à oxygène dans des systèmes énergétiques et de les utiliser dans des sondes potentiométriques pour étudier la chimie de ces milieux complexes.
Le travail de thèse de trois ans, proposé à un(e) étudiant(e) diplômé(e) en sciences des matériaux, se déroulera au CEA/IRESNE sur le site de Cadarache (Bouches du Rhône) en collaboration avec l’Institut de Chimie Séparative de Marcoule (Gard).
Purification des sels chlorures en vue de leur utilisation dans des systèmes de production d’énergie : développement de méthodes, compréhension et optimisation
Dans le cadre de la transition énergétique, les sels chlorures fondus reçoivent un intérêt croissant comme fluide caloporteur et combustible dans des systèmes de production d’énergie, tels que le solaire à concentration ou le nucléaire de IVème génération avec les réacteurs à sels fondus (‘molten salt reactors’ ou MSR). Toutefois, leur utilisation est pour l’instant limitée par les fortes vitesses de corrosion des matériaux de structure utilisés, corrosion qui semble en grande partie liée à la pureté du sel utilisé. En particulier, la maîtrise de la teneur en oxygène semble primordiale pour limiter la dissolution de nombreux éléments. Cependant, certains sels d’intérêt pour l’industrie nucléaire (ternaire NaCl-MgCl2-PuCl3 et son simulant NaCl-MgCl2-CeCl3) se trouvent être particulièrement difficile à purifier, du fait de leur forte affinité avec l’eau.
Il est donc nécessaire de comprendre la nature et la stabilité des espèces formées dans un système pollué (chlorures, oxydes, oxy-chlorures, hydroxy-chlorures) et de proposer des méthodes de purification des sels adaptées à un système industriel. Le candidat à la thèse aura ainsi pour objectifs de purifier et caractériser des mélanges de sels (binaires, ternaires et éventuellement quaternaires) à partir des méthodes disponibles dans les différents laboratoires impliqués par ce travail. La purification pourra avoir lieu à partir d’électrolyse, de précipitation, de filtration, de bullage de gaz chlorant ; la caractérisation pourra être réalisée par des méthodes électrochimiques, des sondes potentiométriques à oxygène, par spectroscopie Raman à haute température sous atmosphère inerte, ou encore par analyses chimiques et matériaux classiques.
L’étudiant réalisera son doctorat à l’institut sur les énergies IRESNE situé au CEA Cadarache (Bouches-du-rhône), au sein d’un laboratoire (LMCT) où seront installés la boîte à gants de purification et les moyens de mesure. Le LMCT a une grande expérience de la chimie des caloporteurs avancés (en particulier le sodium).
Des collaborations seront réalisées avec d’autres laboratoires du CEA, en particulier à Marcoule, et avec le LGC Toulouse disposant d’une expérience de plus de 20 ans dans les sels fondus (co-direction de thèse).
Le profil recherché est un ingénieur ou master recherche en électrochimie ou science des matériaux.
Étude des phénomènes d’autocatalyse lors de la dissolution en milieu nitrique – Apports des méthodes électrochimiques
Le procédé de recyclage des combustibles nucléaires, mis en œuvre en France à l’usine de La Hague, commence par une étape de dissolution en milieu nitrique du combustible usé, principalement constitué d’oxydes d’uranium et de plutonium. Dans une perspective de renouvellement des usines et de généralisation du recyclage des combustibles MOX, de nouveaux appareils innovants pour la dissolution sont étudiés. Le dimensionnement de tels appareils est limité à l’heure actuelle par l’absence de modèle complet de la dissolution des oxydes mixtes qui est une réaction très complexe (triphasique, auto-catalytique, non-homogène, etc.). Si des avancées ont été permises par les nombreux travaux précédents, un certain nombre de questions restent en suspens, concernant en particulier les mécanismes réactionnels mis en jeux et la nature du catalyseur.
Les méthodes électrochimiques (voltammétrie cyclique, spectroscopie d’impédance électrochimique, électrode tournante, etc.) n’ont jamais été mises en œuvre pour la compréhension de la dissolution mais devraient pourtant s’avérer pertinentes comme cela a déjà été démontré par les travaux réalisés sur ce sujet par le CEA Saclay dans le domaine de la corrosion. L’objectif de cette thèse sera donc d’appliquer ces méthodes expérimentales pour la première fois à la dissolution de combustibles nucléaires, dans une démarche de compréhension phénoménologique. Pour ce faire, l’étudiant(e) pourra s’appuyer sur les équipes et les installations des centres de Saclay et de Marcoule spécialisées respectivement dans les méthodes électrochimiques pour l’étude de la corrosion et dans la modélisation physico-chimique de la dissolution.
Cette étude transverse, impliquant science des matériaux, électrochimie et génie chimique, s’inscrira dans une démarche stimulante de recherche de fondamentale mais également dans un contexte industriel très dynamique. Les travaux seront réalisés dans un premier temps sur des matériaux modèles et nobles en inactif (sur le centre de Saclay) puis sur matériaux réels contenant de l’uranium et/ou du plutonium dans un second temps (sur le centre de Marcoule).
Vers une méthode de caractérisation des propriétés électrocinétiques de particules dans l’eau à haute température
Dans le domaine de l’industrie et notamment de l’énergie, les circuits en eau liquide sont omniprésents. Les fluides, en interagissant avec les tuyauteries à base d’alliages métalliques, conduisent inévitablement à la formation de produits de corrosion. Des particules ainsi formées se déplacent dans les circuits sous l’effet d’un écoulement. En fonction des propriétés surfaciques physiques ou chimiques des parois, du milieu et des particules elles-mêmes, ces dernières peuvent s’agréger, se disperser, s’adsorber ou se déposer dans d’autres parties du circuit et conduire, par exemple, à des phénomènes d’encrassement et in fine à la perte de rendement des procédés industriels.
La prédiction du comportement des particules de petite taille (ordre de grandeur du µm) revêt donc un intérêt particulier. En effet, de par leur dimension, le comportement de ces dernières est régi par des forces d'origine électrique responsables de leur adhésion sur les surfaces. Les propriétés électrocinétiques et notamment le potentiel de surface pilotent ainsi le devenir de la particule et peuvent être définies par le biais du potentiel zêta. Cette grandeur caractérise un couple solide/solution et prend en considération à la fois la particule et ses propriétés chimiques de surface ainsi que la solution dans laquelle se trouve la particule.
Si la caractérisation du potentiel zêta à température ambiante est assez répandue, sa détermination à haute température se cantonne aujourd’hui, à quelques exemples (thèses de C. Cherpin 2022 [1] et de M. Barale 2006 [2], les études de VTT [3] et celle d’EDF avec l’université de Besançon 2002 [4] ainsi que le brevet de l’EPRI 1994 [5]). Le CEA (LC2R) a développé un moyen de mesure innovant en cours de brevetage pour explorer des techniques expérimentales peu développées et basées sur des hypothèses théoriques à approfondir.
A travers des approches multi-physique (écoulement, température, chimie, électrochimie, etc.) et multi-échelle (particules microscopiques influant sur un état macroscopique), l’objectif de la thèse est donc de réaliser les mesures des propriétés de surface de particules dans l’eau à haute température en fonction des conditions physico-chimiques (pH, RedOx et température), d’adapter les modèles existants ou en proposer de nouveaux puis de les valider avec les données expérimentales.
Les données ainsi obtenues ont vocation à alimenter les codes de simulation afin de mieux appréhender et maîtriser le vieillissement des circuits.
[1] C. Cherpin, PhD, 2022, Modelling the behaviour of colloidal corrosion products in the primary circuit of Pressurized Water Reactors
[2] M. Barale, PhD, 2006, Etude du comportement des particules colloïdales dans les conditions physico-chimiques du circuit primaire des réacteurs à eau sous pression
[3] E. Velin, Master’s Thesis, 2013, The effect of Temperature on the Zeta Potential of Magnetite Particles in Ammonia, Morpholine and Ethanolamine Solutions
Développement d’argyrodites à fort taux d’halogènes pour batterie tout-solide tout-sulfure
Les batteries tout-solides connaissent un regain d’intérêt depuis quelques années puisque cette technologie permet d’envisager une augmentation des densités d’énergie due à l’utilisation du lithium comme électrode négative mais également une augmentation de la sécurité des batteries par rapport à la technologie Li-ion. L’utilisation de sulfures comme matériaux d’électrode positive couplés à l’argyrodite comme électrolyte solide sont des systèmes intéressants à développer. En effet, les argyrodites atteignent des conductivités ioniques proches de celles des électrolytes liquides. De plus, la fenêtre de stabilité en cyclage des sulfures est proche de celle de l’argyrodite faisant de la technologie tout-sulfure une technologie prometteuse pour le développement des batteries tout-solides.
Dans une volonté d’améliorer les propriétés de conduction des argyrodites, des études récentes ont montré que la conductivité ionique dépend fortement de leur structure locale. La RMN du solide apparait ainsi comme une technique prometteuse afin de sonder les environnements locaux des noyaux cités et notamment de quantifier la variété d’environnements locaux différents favorisant une hausse de la conductivité ionique. Des compositions enrichies en halogénures semblant favoriser la conduction ionique, la synthèse de matériaux correspondant et leur structure seront étudiées.
La thèse s’articulera ainsi autour de deux axes principaux, l’étude de batteries tout-sulfures et la caractérisation fine d'argyrodite avec des structures locales contrôlées. En effet, des argyrodites riches en halogène seront développées et étudiées afin de déterminer l'influence des différents environnements locaux sur les propriétés de conduction.
Contrôle de la conversion de l'énergie thermoélectrique par la chimie de coordination des ions de métaux de transition dans les liquides ioniques
La thermoélectricité, la capacité d'un matériau à convertir la chaleur en énergie électrique, est connue dans les liquides depuis plusieurs décennies. Contrairement aux solides, ce processus de conversion dans les liquides prend plusieurs formes, notamment les réactions thermo-galvaniques entre les ions redox et les électrodes, la thermodiffusion d'espèces chargées et la formation d'une double couche électrique aux électrodes qui varie en fonction de la température. Les valeurs observées du coefficient Seebeck (Se = - DV/DT, le rapport entre la tension induite (DV) et la différence de température appliquée (DT)) sont généralement supérieures à 1 mV/K, un ordre de grandeur plus élevé que celles trouvées dans les semi-conducteurs solides. Le premier exemple fonctionnel d'un générateur thermoélectrique (TE) à base de liquide a été rapporté en 1986 en utilisant des sels redox de ferro/ferricyanure dans l'eau. Cependant, dû à la faible conductivité électrique des liquides l’efficacité de conversion était très faible, ce qui empêchait leur utilisation dans des applications de récupération de la chaleur perdue à basse température.
Les perspectives des générateurs TE-liquides se sont améliorés au cours de la dernière décennie avec le développement des liquides ioniques (LI). Les LI sont des sels fondus qui sont liquides en dessous de 100 °C. Par rapport aux liquides classiques, ils présentent de nombreuses caractéristiques favorables telles que des points d'ébullition élevés, une faible pression de vapeur, une conductivité ionique élevée, une faible conductivité thermique et aussi des valeurs de Se plus élevées. Plus récemment, une étude expérimentale menée par l’IJCLab et le SPEC a révélé que la complexation de couples redox de métaux de transition dans des liquides ioniques peut conduire à une hausse de leur coefficient Se significative de -1,6 à -5,7 mV/K, l'une des valeurs les plus élevées rapportées dans les cellules thermoélectriques à base de LI. Une compréhension électrochimique et physicochimique, et un contrôle précis de la spéciation des ions métalliques présentent sont nécessaire pour la conception rationnelle de la future technologie thermo-électrochimique.
Basé sur ces récentes découvertes, nous proposons une étude systématique de la chimie de coordination des ions redox de métaux de transition dans les liquides ioniques et les mélanges combinant des technique électrochimique et thermoélectrique. L’objectif à long terme associé à cette étude est de démontrer le potentiel d'application des cellules thermo-électrochimiques liquides basées sur des matériaux abordables, abondants et sans danger pour l'environnement pour la récupération d'énergie thermique comme outil d'efficacité énergétique.
Accumulateurs aux lithium tout solide à base d’électrolyte pyrochlore
Face à l'augmentation de la demande énergétique, il est urgent de concevoir des systèmes de stockage plus performants, qu’ils soient stationnaires ou embarqués. Parmi ceux-ci, les batteries lithium-ion se démarquent comme les plus avancées, capables d’être fabriquées à partir d’électrolytes liquides ou solides. Les batteries tout-solide ont un bel avenir devant elles grâce à leurs électrolytes non inflammables et à leur capacité d’utiliser du lithium métallique pour augmenter la densité d’énergie. Bien que la recherche sur ces batteries donne lieu à une forte compétition internationale, leur commercialisation n’est pas encore une réalité. En effet, deux obstacles importants entravent leur développement : la faible conductivité ionique intrinsèque des solides et la difficulté d’obtenir de bonnes interfaces solides/solides au sein des électrodes composites et du système complet.
Cette thèse vise à développer des batteries tout-solide basée sur une nouvelle classe de matériaux superioniques de type pyrochlore oxyfluorure, qui sont stables à l’air et ont une conductivité ionique supérieure à celle de tous les électrolytes solides oxydes existants. Les propriétés électrochimiques des batteries tout solide seront soigneusement examinées en combinant des techniques in situ et operando (DRX, Raman, analyse par faisceau d'ions/synchrotron, RMN du solide, Tomographie à rayons X…).
Mots clés :
Électrolyte solide, Batterie tout solide, Résonance magnétique nucléaire, Électrochimie, pyrochlore Oxyfluorure, in situ/operando, Spectroscopie, Synchrotron