Impact de la microstructure dans le dioxyde d’uranium sur de l’endommagement balistique et électronique
Au cours de l'irradiation en réacteur, les pastilles de combustible subissent une évolution partielle de leur microstructure. Pour des niveaux de combustion élevés, une subdivision des grains en grains plus petits dans les zones périphériques des pastilles combustible - appelée high burn-up structure(HBS) - est observée. Des changements similaires se produisent également dans les zones centrales des pastilles à température élevée. Ces évolutions résultent de la combinaison de plusieurs facteurs, notamment de la perte d'énergie des produits de fission. L'effet de cet endommagement pourrait varier en fonction de l'orientation cristalline et de la taille des grains.
L'objectif principal est donc de comprendre comment l'orientation cristalline et la taille des grains influencent l'endommagement causé par l'irradiation. Des expériences d'irradiation aux ions seront donc menées sur des échantillons d'UO2 monocristallins et polycristallins sur l’installation JANNUS Saclay. Des caractérisations in situ et ex situ par spectrométrie Raman, par rétrodiffusion Rutherford (RBS-C), par microscopies électronique à transmission et à balayage avec diffraction électronique rétrodiffusée (EBSD) seront mises en œuvre.
Radiolyse et irradiation : effets couplés sur les cinétiques de corrosion et de prise d’hydrogène d’alliages de zirconium en milieu primaire des réacteurs nucléaires à eau pressurisée
Les matériaux constitutifs des assemblages de combustible nucléaire, dont les alliages de zirconium, sont exposés au milieu primaire du réacteur, une eau pressurisée à haute température (150 bar,300 °C environ), et au bombardement neutronique et aux rayonnements ionisants (gamma, alpha notamment). La conjonction de ces éléments externes conduit à la dégradation des matériaux par corrosion et formation de défauts d’irradiation. Il a été montré que ces derniers ont un effet non négligeable sur les cinétiques de corrosion et d’absorption d’hydrogène des alliages de zirconium. Ceci dit, l’impact de l’irradiation est matériau-dépendant. En effet, la vitesse de corrosion du Zircaloy-4 augmente après irradiation du métal et/ou de l’oxyde tandis que la résistance à la corrosion de l’alliage M5 est significativement améliorée sous irradiation. La présence de niobium dans l’alliage joue indéniablement un rôle positif sous irradiation. Son effet et le mécanisme associé restent néanmoins à élucider. Compte-tenu de la faible durée de vie des espèces radiolytiques transitoires et de l'intrication des différents phénomènes sus-mentionnés, des mesures in situ deviennent nécessaires. Le/la doctorant/e travaillera à utiliser et 'upgrader' un dispositif existant unique, co-développé avec Framatome, permettant de suivre en ligne les effets de la radiolyse de l'eau et de l'irradiation sur les cinétiques de corrosion et de prise d'hydrogène de différents alliages de zirconium en contact avec un milieu représentatif du milieu primaire des réacteurs nucléaires à eau pressurisée. La compréhension des mécanismes en jeu permettra d'élaborer un modèle et de déterminer les paramètres de premier ordre. Le travail de thèse sera valorisé par des publications et participation à conférences (nationales et internationales).
Imagerie cohérente de diffraction de Bragg pour l'étude de la réduction du CO2
Capturer et convertir le CO2 en produits chimiques à haute valeur ajoutée ou en carburants représente l'un des défis les plus significatifs pour parvenir à une société durable. Cette réaction peut être effectuée en phase gaz à haute température mais aussi par voie électrochimique, à basse température, permettant non seulement d'atténuer l'effet de serre, mais aussi de fournir un moyen de stocker de l'énergie en transformant de l'électricité renouvelable intermittente en produits chimiques. Ce projet vise à étudier l'évolution structurelle de nanocristaux individuels au cours de la réaction de réduction du CO2. En utilisant les capacités uniques de la diffraction cohérente des rayons X et de la nanospectroscopie, il est possible de cartographier in situ et operando l'évolution tridimensionnelle de la composition chimique, du champ de déformation/déformation et des défauts cristallographiques de nanocristaux afin d'obtenir une relation structure-chimie-performance expérimentale complète. Les expériences seront réalisées principalement à l'ESRF, le synchrotron européen situé à Grenoble près du CEA-Grenoble, dans un environnement scientifique international de premier plan. Le projet sera également mené en collaboration avec le LEPMI qui possède une expérience en électrocatalyse des systèmes de stockage et de conversion électrochimique de l'énergie.
Matériaux 2D sous irradiation pour des fonctionnalités de demain
Devant les enjeux liés au réchauffement climatique, certaines voies sont au cœur d’études en recherche fondamentale pour optimiser notamment les propriétés de matériaux pour la captation de gaz (CO2 par ex.), la filtration, le dessalement ou la conversion de l’eau en H2 par photocatalyse. Des matériaux bidimensionnels (graphène, MoS2, hBN, etc) nanostructurés par irradiation aux ions ont récemment montré des propriétés uniques et originales permettant d’améliorer l’efficacité de ces processus. L'introduction de modifications à la surface de ces matériaux peut être utilisée pour adapter leurs propriétés à des exigences spécifiques. Les irradiations par les ions lourds rapides comme ceux produits sur l'accélérateur GANIL ou par les ions de basse énergie produits sur le dispositif PELIICAEN du CIMAP, induisent des modifications de surface à l'échelle nanométrique.
Nous proposons au travers de ce sujet de thèse d'accéder à une meilleure compréhension des processus impliqués dans la structuration par faisceaux d’ions et la modification des propriétés de matériaux 2D en fonction de l'influence des différents paramètres d'irradiation sur les modifications radio-induites locales.
nanoréacteurs tubulaires durables à polarisation radiale pour la catalyse
Les exigences combinées liées à l'augmentation de la production d'énergie et à la nécessité de réduire les combustibles fossiles pour limiter le réchauffement de la planète ont ouvert la voie à un besoin urgent pour des technologies de collecte d'énergie propre. Une solution intéressante consiste à utiliser l'énergie solaire pour produire des carburants. Ainsi, les matériaux bon marché tels que les semi-conducteurs ont fait l'objet de nombreuses études pour les réactions photocatalytiques. Parmi eux, les nanostructures 1D sont prometteuses en raison de leurs propriétés intéressantes (surfaces spécifique et accessibles élevées, environnements confinés, meilleure séparation des charges). L'imogolite, une argile naturelle sous la forme d'un nanotubes creux, appartient à cette catégorie. Bien qu'elle ne soit pas directement photoactive dans le domaine de la lumière visible (bande interdite élevée), elle présente une polarisation permanente de sa paroi en raison de sa courbure intrinsèque. Cette propriété fait d'elle un co-photocatalyseur potentiellement utile pour la séparation des charges. De plus, ce nanotube appartient à une famille partageant la même structure locale avec différentes morphologies courbées (nanosphère et nanotuile). En outre, plusieurs modifications de ces matériaux sont possibles (dopage de la paroi avec des métaux, couplage avec des nanoparticules métalliques, fonctionnalisation de la cavité interne), ce qui permet d'ajuster la bande interdite. Pour l'instant, la preuve de concept (c'est-à-dire le nanoréacteur pour des réactions photocatalytiques) n'a été obtenue que pour la forme nanotube.
L'objectif de cette thèse est ainsi d'étudier toute la famille (nanotube, nanosphère et nanotuile, avec diverses fonctionnalisations) en tant que nanoréacteurs pour des réactions de réduction du proton et du CO2 déclenchées sous irradiation.
Fragmentation quantique dans les systèmes frustrés
Les dernières décennies de recherches dans le domaine de la matière condensée ont vu l'émergence d'une physique riche et nouvelle, fondée sur la notion de "liquides de spin". L'intérêt pour ces nouveaux états de la matière provient du fait qu’ils présentent une intrication quantique à grande échelle, une propriété par ailleurs fondamentale pour le calcul quantique. De par sa nature qui exploite directement cette notion d’intrication, un ordinateur quantique permettrait des approches révolutionnaires par rapport aux ordinateurs classiques, pour résoudre rapidement certaines classes de problèmes.
L’étude des liquides de spin rejoint donc de très forts enjeux technologiques et le but de ce projet de thèse est de participer à cet effort de recherche fondamentale.
Exploration de la dynamique de dépôt d’énergie aux temps courts d’électrons accélérés par laser dans le cadre de l’effet Flash en radiothérapie
L’objectif du projet de thèse est d’analyser les processus physico-chimiques consécutifs aux débits de dose extrêmes que l’on peut obtenir maintenant dans l’eau avec les impulsions ultra-brèves (fs) d’électrons relativistes accélérés par laser. En effet, des premières mesures montrent que ces processus ne sont probablement pas équivalents à ceux obtenus avec des impulsions plus longues (µs) dans l’effet FLASH utilisé en radiothérapie. Pour y arriver, nous proposons d’analyser la dynamique de formation/recombinaison de l’électron hydraté, espèce emblématique de la radiolyse de l’eau pour qualifier et quantifier l’effet de débit de dose sur des temps de plus en plus courts. Ceci pourra se faire en trois étapes en accompagnement de la progression technologique nécessaire et maintenant accessible, pour avoir une dose par impulsion suffisante pour détecter directement l’électron hydraté. D’abord, avec l’installation existante UHI100 en utilisant la capture de l’électron hydraté en produisant une espèce stable ; puis en produisant une espèce moins stable mais détectable en temps réel et en augmentant le taux de répétition de l’accélérateur laser-plasma. Finalement, en testant un nouveau concept appelé « cible hybride », basé sur l’utilisation d’un miroir plasma comme injecteur d’électrons couplé à un accélérateur laser-plasma. Délivrant des doses plus importantes que les accélérateurs laser-plasma, avec un spectre énergétique resserré, on pourra développer une détection pompe-sonde permettant d’accéder aux temps les plus courts, et à la formation dans les grappes d’ionisation, de l’électron hydraté et en mesurant son rendement initial.
Caractérisation in situ et en temps réel de nanomatériaux par spectroscopie de plasma
L'objectif de cette thèse est de développer un dispositif expérimental permettant de réaliser l'analyse élémentaire in situ et en temps réel de nanoparticules lors de leur synthèse (par pyrolyse laser ou pyrolyse par flamme). La spectrométrie d'émission optique de plasma induit par laser (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy: LIBS) sera utilisée pour identifier les différents éléments présents et de déterminer leur stœchiométrie.
Les expériences préliminaires menées au LEDNA ont montré la faisabilité d'un tel projet et en particulier l'acquisition d'un spectre LIBS d'une nanoparticule unique. Néanmoins le dispositif expérimental doit être développé et amélioré afin d'obtenir un meilleur rapport signal sur bruit, de diminuer la limite de détection, de tenir compte des différents effets sur le spectre (effet de taille des nanoparticules, de composition ou de structure complexe), d'identifier et de quantifier automatiquement les éléments présents.
En parallèle, d'autres informations pourront être recherchées (via d'autres techniques optiques) comme la densité de nanoparticules, la distribution de taille ou de forme.
Spectroscopie attoseconde haute cadence de la photoémission ultrarapide des gaz
Résumé :
L’étudiant-e développera des techniques de spectroscopie attoseconde utilisant de nouvelles sources laser Ytterbium de haute cadence. Les dynamiques ultrarapides de photoémission seront étudiées pour observer en temps réel les processus de diffusion/réarrangement électronique ainsi que l’intrication quantique électron-ion, en mettant à profit les techniques de coïncidence de particules chargées.
Sujet détaillé :
Ces dernières années, la génération et les applications des impulsions attoseconde (1 as=10-18 s) ont connu des progrès spectaculaires, récompensés par le Prix Nobel 2023 [1]. Ces impulsions ultrabrèves sont générées lors de la forte interaction non linéaire d’impulsions laser infrarouges brèves et intenses avec un jet de gaz [2]. Une nouvelle technologie laser à base d’Ytterbium est en train d’émerger, avec une stabilité 5 fois supérieure et une cadence 10 fois supérieure à celles de la technologie actuelle Titane:Saphir. Ces nouvelles capacités représentent une révolution pour le domaine.
Ceci ouvre de nouvelles perspectives d’exploration de la matière à l’échelle de temps intrinsèque des électrons. La spectroscopie attoseconde permet ainsi d’étudier en temps réel le processus quantique de photoémission en phase gaz, de filmer en 3D l’éjection des paquets d’onde électronique [3,4], d’étudier les réarrangements électroniques du système ionisé et les effets de décohérence quantique dus à l’intrication électron-ion [5].
Le premier objectif de la thèse est de mettre en œuvre sur la plateforme laser ATTOLab les spectroscopies attoseconde utilisant les nouvelles sources laser Ytterbium. Le second objectif est de mettre à profit les techniques de coïncidence de particules chargées, permises par la haute cadence, pour étudier avec une précision inédite les dynamiques de photoémission et d’intrication quantique.
L’étudiant-e sera formé-e en optique ultrarapide, physique atomique et moléculaire, optique quantique, et acquerra une bonne maitrise des spectroscopies XUV et de particules chargées.
Références :
[1] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2023/summary/
[2] Y. Mairesse, et al., Science 302, 1540 (2003)
[3] V. Gruson, et al., Science 354, 734 (2016)
[4] A. Autuori, et al., Science Advances 8, eabl7594 (2022)
[5] C. Bourassin-Bouchet, et al., Phys. Rev. X 10, 031048 (2020)
Vers la modélisation multi-physique et multi-échelle de cellules photo-électrochimiques pour la production d'hydrogène
La production de molécules chimiques et de carburant de synthèse, à partir de ressources non fossiles et d'énergie renouvelable, est un des axes envisagés en réponse aux enjeux climatiques. Dans ce cadre, l'utilisation de cellules photo-électrochimiques (PEC) pour la décomposition de l’eau est une voie prometteuse de production d'hydrogène. Aujourd’hui, les preuves de concept concernent généralement des objets de petite taille (de l’ordre de 1cm² de surface active) et des durées de fonctionnement limitées à quelques minutes ou quelques heures. Il est donc indispensable, pour envisager le déploiement rapide des PEC, de pouvoir prédire l’influence de l’architecture de la cellule et du changement d’échelle sur les performances, en termes de rendement énergétique, d’efficacités cinétiques (volumiques et surfaciques), de stabilité de fonctionnement et de vieillissement des matériaux.
La thèse s’inscrit dans le cadre du développement d’un outil de simulation générique des PEC, en support à la R&D. Elle sera menée en collaboration avec ENGIE LabCRIGEN (financement CIFRE), l'Institut Pascal (laboratoire d'accueil)et le CEA (ISEC, IRIG et INES.
Vous avez une solide formation en Génie des Procédés, Energétique, Mécanique des Fluides ou en Mathématiques Appliquées, un gout prononcé pour la modélisation et la simulation numérique, une forte capacité pour le travail en équipe et vous souhaitez contribuer activement à la transition énergétique ? En choisissant ce sujet, vous rejoindrez un consortium pluridisciplinaire et contribuerez à un domaine de recherche très actif à l’international, à l'interface entre la recherche fondamentale et l'industrie.