Imagerie acoustique des interfaces métal/céramique sur éléments combustibles irradiés : de la mise en œuvre à l’interprétation
Dans le contexte de l’amélioration de la performance et de la sureté des réacteurs nucléaires civils, de nombreux programmes de recherche sont conduits par le CEA en soutien aux industriels EDF et FRAMATOME, en particulier sur le comportement des éléments combustibles sous irradiation. Les éléments combustibles sont constitués d’une gaine métallique et de pastilles en céramique. Dans des situations de variations de puissance, la présence ou l’absence de jeu entre la gaine et les pastilles, et la qualité de l’accrochage entre eux en cas de contact, sont déterminants pour la tenue mécanique de l’élément (https://hal.archives-ouvertes.fr/DEN-DIR/cea-01153334v1).
Pour compléter les méthodes actuelles de caractérisations expérimentales, la faisabilité de la caractérisation de l’interface pastille-gaine par une technique non destructive d’imagerie acoustique a été étudiée et validée sur un banc d’essai en laboratoire universitaire.
Dans la continuité de cette première étude, l’objectif de la thèse est d’instrumenter un banc de mesure déjà opérationnel au CEA, dans une cellule blindée dédiée aux examens sur combustibles irradiés, pour y implanter une chaine d’imagerie acoustique.
Le travail de thèse inclut l’établissement et la mise en œuvre d’un protocole de qualification de la chaine de mesure avec acquisitions de mesures sur éléments combustibles irradiés. Une stratégie de traitement des signaux acoustiques prenant en compte la correction des effets en surface externe de gaine sera mise en place. Les caractéristiques que l’on souhaite obtenir sont la localisation axiale et azimutale des continuités ou discontinuités du contact à l’interface pastille-gaine avec des résolutions de quelques dizaines de micromètres, et la fraction surfacique des zones d’adhérence entre la gaine et le combustible, à l’échelle de quelques pastilles.
Le doctorant sera basé au sein de l’institut IRESNE (Institut de recherche sur les systèmes nucléaires pour la production d’énergie bas carbone) au CEA Cadarache, et les travaux seront réalisés dans une installation disposant d’outils de caractérisation non destructive et destructive permettant d’observer le combustible irradié à toutes les échelles.
Ce travail pluridisciplinaire sera mené en en étroite collaboration avec une équipe de l’IES (Institut de l’Electronique et des Systèmes - CNRS - Montpellier), spécialisée dans la conception de capteurs acoustiques et de systèmes d’imagerie acoustique. En s’appuyant sur les moyens et l’expertise des équipes des deux entités CEA et IES, le doctorant ou la doctorante pourra acquérir de solides compétences dans les domaines de la modélisation, de l’instrumentation et de la mesure. Il ou elle sera amené(e) également à interagir avec les équipes de R&D d’EDF, partenaire industriel de ce projet. Les résultats seront valorisés dans des publications et communications internationales.
Suivi en ligne des procédés de bio-production par imagerie holographique 3D
La culture des cellules adhérentes est un moyen prometteur pour différentes applications en bioproduction, comme la fabrication et l'administration de biomédicaments, la médecine régénérative, ou le suivi de la différenciation cellulaire. Cependant, elle pose des défis majeurs pour l’analyse des cellules sans affecter l’intégrité du substrat. L’imagerie holographique sans lentille se présente comme une solution prometteuse, capable de capturer des images de cellules sur un grand champ de vue sans aucune étape biochimique supplémentaire.
Cette thèse propose de développer un système d’imagerie holographique 3D pour le suivi des cellules adhérentes en temps quasi-réel, avec des algorithmes avancés pour la reconstruction et l’analyse d’images. Le système testé en terme de précision et robustesse sur des cultures biologiques variées. L’utilisation de l’apprentissage profond permettra la segmentation et l'analyse des cellules en temps quasi-réel, facilitant ainsi le suivi des dynamiques cellulaires. Ce projet innovant promet d'optimiser les procédés biologiques en offrant une vision non invasive des échantillons multicellulaires en 3D, avec des applications potentielles comme le suivi d’organes-sur-puce et de systèmes cellulaires complexes.
Magnétomètres à pompage optique à 3He
Le laboratoire, spécialisé dans la mesure magnétique de haute résolution et de haute précision, développe et fournit depuis plusieurs décennies différentes générations de magnétomètres à pompage optique de l'hélium-4. Ces instruments sont notamment utilisés comme référence sur les satellites de la mission ESA Swarm lancés fin 2013 et ceux de la mission NanoMagSat qui devraient les rejoindre à partir de fin 2027.
En vue de diversifier ses activités et de viser des applications de type capteur abandonné pour lesquelles les contraintes de consommation peuvent être très importantes, le laboratoire souhaite développer une technologie de magnétomètre utilisant cette fois l'atome d'hélium-3 comme élément sensible. La durée de vie de l'état de l'atome d'hélium-3 utilisé pour mesurer le champ magnétique est effectivement beaucoup plus longue que celle de l'état équivalent de l'hélium-4. Cela permet de réduire significativement le besoin de pompage et d'envisager un gain important en termes de consommation énergétique du système. Notre objectif est de démontrer le fonctionnement de cette architecture de magnétomètre afin de réaliser un instrument combinant à la fois un très haut niveau de performances métrologiques et de frugalité énergétique pour ces applications très spécifiques.
L'objet de ce travail de thèse sera donc de concevoir, mettre en œuvre et évaluer une architecture de magnétomètre hélium-3, avec des défis électroniques spécifiques à aborder pour permette d'atteindre cet objectif (chaîne optique à 1083 nm, système de pilotage électronique).
Contrôle du plasma en temps réel par calorimétrie
Dans les machines de fusion thermonucléaire, les composants face au plasma sont soumis à d’intenses flux de chaleur. Le tokamak WEST a des composants activement refroidis à l’eau afin de limiter leur échauffement. Des mesures calorimétriques sur les composants permettent de mesurer la puissance reçue par chaque composant. Il est ainsi possible d’effectuer un contrôle du plasma en position ou en puissance additionnelle en fonction de ces puissances reçues.
Dans cette thèse, une simulation du contrôle du plasma par calorimétrie sera effectuée, en simulant les flux de chaleur reçus par les composants en fonction de la position du plasma et de la réponse calorimétrique associée. Des mesures de calorimétrie in-situ seront effectuées sur les composants en haut et bas de la machine lors d’expériences plasmas dédiées pour affiner les simulations et le contrôle de la position du plasma de WEST à partir des mesures calorimétriques sera finalement mis en place et validé lors d’expériences dédiées, que ce soit dans un but de protection des composants face au plasma, mais aussi pour des aspects de physique du plasma.
Contrôle temps-réel des instabilités MHD lors des chocs longs de WEST
Dans les plasmas de fusion magnétique, les instabilités macroscopiques magnétohydrodynamiques (MHD) à basse fréquence (~1-10 kHz) peuvent dégrader les performances et la stabilité du plasma. Lors des décharges longues sur le tokamak WEST, de tels modes apparaissent fréquemment provoquant une chute de la température centrale, une augmentation de la résistivité, réduisant ainsi les performances et conduisant à une fin prématurée des décharges. Leur détection en temps réel puis l’application de méthodes de stabilisation sont donc essentielles pour l’optimisation des performances de WEST mais aussi en vue des futures machines comme ITER.
Des instruments comme la radiométrie ECE (émission cyclotronique électronique) ou la réflectométrie peuvent mesurer les perturbations de température ou de densité générées par ces instabilités MHD avec une bonne résolution spatiale et temporelle. Toutefois, l’analyse des mesures est actuellement réalisée a posteriori après la décharge. Or, une détection en temps réel est indispensable pour déployer une stratégie de contrôle comme une modification du critère de stabilité MHD. Ce critère MHD est très sensible à une génération locale de courant ou un dépôt de chaleur, processus pour lesquels le système de chauffage ECRH/ECCD (Electron Cyclotron Resonance Heating/Current Drive) est bien adapté.
L’objectif de cette thèse est de développer puis déployer une stratégie de contrôle des instabilités MHD basses fréquence sur le tokamak WEST. L’étudiant commencera par développer la détection en temps-réel de ces instabilités grâce au radiomètre ECE, puis inclura d’autres mesures (imagerie ECE, réflectométrie) pour améliorer la fiabilité et la précision. Différentes stratégies de stabilisation seront étudiées via des outils de modélisation intégrée. L’ECRH/ECCD est l’actionneur de référence, mais d’autres leviers comme une modification temporaire de paramètres plasma (courant, température, densité) seront aussi évalués. Enfin, la stratégie de contrôle sera intégrée au système de contrôle de WEST en commençant par des algorithmes simples avant de tester des approches avancées (réseaux de neurones, apprentissage profond).
Développement d’algorithmes de Machine Learning pour l’amélioration de l’acquisition et du traitement des images en imagerie radiologique
Le Laboratoire de Mesures Nucléaires du LNPA ( Laboratoire d'étude des technologies du Numérique et des Procédés Avancés) de Marcoule est constitué d’une équipe spécialisée dans les mesures nucléaires de terrain. Ses activités sont réparties entre le développement de système de mesures et l'expertise technique auprès d'installations du CEA ou de partenaires externes (ORANO, EDF, AIEA).
Le LNPA développe et utilise des imageurs radiologiques (gamma et alpha) depuis plusieurs années. Certains des développements réalisés ont donnés lieu à des produits industriels et d’autres imageurs sont toujours en cours de développement et d’amélioration. L’imagerie alpha, en particulier, est un procédé qui permet de déceler des zones de contamination alpha à distance. La localisation du terme source alpha est une étape importante en boîte à gants que ce soit pour un projet d’assainissement et de démantèlement, pour la maintenance en exploitation ou pour la radioprotection des travailleurs. L’alpha caméra est l’outil qui rend accessible la cartographie alpha à distance et depuis l’extérieur des boîtes à gants.
L'objectif de la thèse est de développer et mettre en place des solutions mathématiques de prédiction et de débruitage pour améliorer l'acquisition et le post-traitement d'images radiologiques, et, en particulier, d'images alpha caméra.
Deux axes de recherche principaux seront approfondis :
- Le développement d'algorithme de débruitage d'image en temps réel ou en post-traitement
- Le développement d'algorithme prédictif pour générer des images à statistique élevées sur la base d'échantillons d'images réelles.
Pour ce faire une base de données expérimentale et par simulation sera à établir afin d'alimenter les algorithmes IA.
Ces deux axes de recherche seront concrétisés par la réalisation d’un prototype d’imageur intégrant les fonctionnalités de Machine Learning, une interface d’acquisition et de traitement d’image, qui sera utilisé lors d’une mise en œuvre expérimentale.
A travers cette thèse l’étudiant se forgera de solides connaissances en mesures nucléaires, interaction rayonnement/ matière, traitement d’images scientifiques et aura une vision précise des besoins radiologiques dans le cadre des chantiers d’assainissement / démantèlement.
Caractérisation des chemins de réaction conduisant à l’emballement thermique pour nouvelles technologies de batteries
Le développement de cellules tout-solide n’est plus une simple hypothèse aujourd’hui. Dans le cadre du projet Safelimove, nous avons évalué la sécurité de cellules polymères hybrides de 1 Ah et 3 Ah, ce qui a conduit à une publication. De plus, dans le projet Sublime, nous avons évalué la sécurité de cellules 1 Ah à base de sulfure (argyrodite), une publication est actuellement en cours de soumission.
Avec l’arrivée de ces nouvelles cellules, il devient encore plus crucial d’accompagner leur développement par une évaluation fine de la sécurité et l’identification des mécanismes complexes mis en jeu. Les grands instruments tels que le synchrotron et le réacteur à neutrons représentent une opportunité puissante pour atteindre cet objectif, car ils offrent les meilleures résolutions spatiale et temporelle. Par exemple, grâce à la radiographie RX rapide de l’ESRF, il est possible de visualiser l’intérieur de la cellule lors de l’emballement thermique, permettant ainsi d’identifier localement l’impact des réactions (électro)chimiques sur la microstructure des composants et de valider nos modèles d'emballement thermique. De plus, avec la diffusion de rayons X aux grands angles (WAXS), il est possible de suivre in situ l’évolution de la structure cristalline des matériaux actifs pendant une réaction très rapide d’emballement thermique. En effet, l’utilisation de rayonnement synchrotron permet de réaliser un diffractogramme toutes les 3 millisecondes. Le faisceau de neutrons de l'ILL nous permet également de suivre l’évolution de la structure du lithium métal avant, pendant et après l’emballement. Il est important de souligner que ces trois techniques mentionnées sont aujourd’hui maîtrisées par les équipes du LAPS et ont, ou vont faire, l’objet de publications.
Par ailleurs, de nouvelles techniques complémentaires pourront être explorées, pour l’étude de l’impact des contraintes thermiques/mécaniques sur les matériaux actifs à partir de la ligne de lumière BM32, ou l’évaluation des degrés d’oxydation des métaux via la spectroscopie d’absorption des RX (XAS) sur ID26.
Des caractérisations en laboratoire plus classiques seront également effectuées, telles que la DSC, l’ATG-MS et la DRX.
Dans le cadre de nos différentes collaborations, pour le système tout-solide, le matériau actif de l’électrode positive sera très probablement du NMC, voire du LMFP en cas de difficultés d’approvisionnement. L’électrolyte utilisé sera à base de sulfure, voire d’halogénure, tandis que l’anode sera composée de lithium métal voire d’un alliage de lithium. Si le temps le permet, un système post Na-ion sera envisagée à partir de la 2ème année. La thèse visera, entre autres, à identifier, en fonction des matériaux utilisés, s’il y a des réactions avant la déstabilisation de la cathode, si l’électrolyte solide réagit avec l’oxygène de la cathode ou avec le matériau anodique, et si ces réactions parallèles contribuent à une meilleure ou une moins bonne sécurité de la cellule.
Les trois années de la thèse se dérouleront de la manière suivante : la première année sera consacrée à la recherche bibliographique et à la caractérisation de la technologie sulfure. Suite au premier CSI et à l'identification de l'ampleur des travaux en cours sur le sulfure, la seconde année s’appliquera à la technologie sodium-ion ou sur l'approfondissement de la technologie sulfure. Finalement, la troisième année, en plus de la rédaction de la thèse, se focalisera plus précisément sur l’impact des matériaux ainsi identifiés sur la sécurité.
CONTEXT: instrumentation neutronique textures – contraintes pour ICONE
Le CEA et le CNRS ont lancé une initiative de conception d’une nouvelle source de neutrons utilisant des accélérateurs de protons de basse énergie, le projet ICONE. L’objectif est de construire une installation qui offrira une suite instrumentale d’une dizaine de spectromètres mise à la disposition de la communauté scientifique française et européenne. Le projet est actuellement dans la phase d’Avant-Projet Détaillé avec pour objectif d’affiner autant que possible tous les aspects techniques.
Nous proposons une thèse sur la modélisation et le développement d'un nouveau spectromètre de diffusion neutronique pour les mesures de textures et de contraintes dans les matériaux. Cette technique permet de sonder les contraintes résiduelles dans les matériaux après la phase d’usinage, de traitement thermique et/ou d’utilisation, et de mesurer l’anisotropie cristallographique d’alliages pour tirer parti des propriétés mécaniques induites.
Une partie du travail profitera du démarrage des spectromètres DREAM et MAGIC à ESS en Suède auxquels le LLB a participé à la construction pour que le candidat se familiarise avec les techniques de diffusion neutroniques en temps de vol (mesures et analyses des données).
Dans une deuxième partie du travail nous proposons d’implémenter des techniques de modulation statistique pour la construction d’un instrument, CONTEXT, sur ICONE qui permettront d’exploiter au mieux le potentiel des pulses longs d’ICONE. L’objectif sera de créer un jumeau numérique du futur instrument à l’aide de différents outils de simulation Monte-Carlo.
Détection ultra-précoce de pathogènes bactériens dans le sang de patient
Ce projet vise à développer un instrument d'imagerie par résonance des plasmons de surface (SPRi) polyvalent et facile à utiliser pour la détection rapide et à large spectre de concentrations faibles de bactéries pathogènes dans des échantillons complexes, dont le sang en particulier. La SPRi est une technique, sans marquage, qui permet de sonder un échantillon (quelle que soit sa transparence optique), en temps réel. En raison de la grande sensibilité du phénomène de plasmon, la plage dynamique de variation d'indice mesurable est limitée par détection SPRi lorsque la lecture est réalisée à un angle fixe, comme c'est le cas dans les dispositifs déployés dans le commerce. Cela réduit l'utilisation de tels instruments optiques à l'étude de milieux dont l'indice reste relativement stable pendant l'expérience et dont les sondes moléculaires ont des poids moléculaires comparables aux cibles (suivi d'interactions bi-moléculaires).
Ainsi, cela limite considérablement la détection de bactéries en croissance dans des milieux complexes. Notre laboratoire a développé des solutions originales pour la détection de très faibles taux de contaminations dans des matrices alimentaires (création d'une start-up en 2012), mais la SPRi se révèle inadaptée pour la détection de bactéries dans le sang, en partie en raison de la très forte variabilité intrinsèque de cette matrice.
Ces limites seront supprimées en intégrant cinq briques complémentaires :
1. La conception d'un instrument optimisé pour l'enregistrement en temps réel d'images SPR sur une plage définie d'angles d'éclairage;
2. Le développement d'une analyse et de traitement des données SPR dédiée pour extraire en temps réel l'information la plus pertinente pour chaque sonde à partir des images ;
3. La fonctionnalisation des biopuces par une combinaison de sondes appropriées (séries de peptides tels que les peptides antimicrobiens (AMPs), anticorps et même bactériophages) pour optimiser le nombre d'identifications possibles avec un ensemble réduit de sondes ;
4. L'apprentissage des "signatures SPRi 4D" spécifiques de souches modèles dans des matrices sanguines ;
5. La validation des performances du nouvel instrument « 4D-SPRi » comme outil de détection et de caractérisation des bactéries issues de souches hospitalières par rapport à des techniques de référence.