Nanoréacteurs tubulaires durables à polarisation radiale pour la catalyse

L'augmentation de la demande en énergie et la nécessité de réduire l’utilisation des combustibles fossiles afin de limiter le réchauffement climatique ont ouvert la voie à un besoin urgent de 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 spécifiques élevées et accessibles, environnements confinés, transport d'électrons sur de longues distances et séparation des charges facilitées) L'imogolite, une argile naturelle sous la forme d'un nanotubes creux, appartient à cette catégorie. Sa particularité ne vient pas de composition chimique (Al, O et Si) mais de sa courbure intrinsèque qui induit une polarisation permanente de la paroi séparant efficacement les charges photo-induites. 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 (couplage avec des nanoparticules métalliques, fonctionnalisation de la cavité interne), ce qui permet de moduler leurs propriétés. Ces matériaux sont ainsi de bons candidats comme nanoréacteurs pour les réactions photocatalytiques. Pour l'instant, la preuve de concept (i.e. 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 illumination

Générateur compact de faisceaux paires electrons-positrons/muons-antimuons

###Contexte

Le contexte de ce sujet de thèse est celui des accélérateurs d’électrons laser-plasma, qui peuvent être obtenus en focalisant un laser de puissance dans un jet de gaz. Au foyer laser, le champ électrique est tellement intense qu’il ionise quasi-instantanément le milieu gazeux et forme un plasma sous-dense, au sein duquel l’impulsion laser peut se propager. Dans son sillage, cette impulsion excite des structures plasmas accélératrices pouvant soutenir des champs électrostatiques de l’ordre de 100GV/m. Au sein de ces structures, des électrons du plasma peuvent être piégés et accélérés à des énergies relativistes (quelques GeV) sur des distances centimétriques. Ces champs électrostatiques étant trois ordres de grandeurs supérieurs à ceux fournis par les cavités radiofréquences, les accélérateurs laser-plasma sont des candidats prometteurs pour miniaturiser les accélérateurs d’électrons afin : (i) de démocratiser leur usage à des applications existantes mais restreintes à quelques installations dans le monde et (ii) permettre de nouvelles applications de ces accélérateurs à des secteurs stratégiques clés (recherche fondamentale, industrie, médecine, défense).

Parmi les applications faisant l’objet d’une forte concurrence internationale, on note :

> L’utilisation de ces accélérateurs pour fournir la première machine de radiothérapie d’électrons à haute énergie (100MeV) pour les traitements médicaux

> L’utilisation de ces accélérateurs comme brique de base d’un futur grand collisionneur d’électrons/positrons au TeV pour la physique des hautes énergies

> L’utilisation de ces accélérateurs pour construire une source compacte et mobile de muons relativistes pour pouvoir réaliser de la tomographie de muons active. Un tel outil serait un atout majeur dans les secteurs de l’industrie (e.g., diagnostic de sécurité des réacteurs dans le nucléaire civile) et de la défense (non-prolifération). A noter que dans ces deux secteurs, l’agence DARPA américaine a déjà financé en 2022 un programme ambitieux (Muons for Science and Security, MuS2) afin de fournir un premier design conceptuel d’une machine à muons relativistes utilisant un accélérateur laser-plasma (cf. https://www.darpa.mil/news-events/2022-07-22)

###Enjeux

Afin de rendre possible les applications mentionnées précédemment, il faut lever d’importantes limitations des accélérateurs laser-plasma actuels. Une limitation importante est le peu de charge à haute énergie (100MeV à plusieurs GeV) fournie par ces accélérateurs. La cause physique derrière ce manque de charge provient principalement du fait que les techniques d’injection de charge actuelle reposent sur l’injection d’électrons depuis le gaz, qui est très peu dense en électrons. Afin de résoudre cette limitation, nous avons récemment proposé un nouveau concept d’injection à partir d’un système physique remarquable appelé miroir plasma. Ce concept est basé sur une cible hybride gaz-solide. Quand le laser à haute intensité interagit avec cette cible, il ionise complètement le solide et le gaz. La partie solide de la cible a une densité électronique tellement élevée qu’elle réfléchit le laser incident, en formant un “miroir plasma”. Dans la partie gazeuse de la cible, le laser se propage et génère des structures accélératrices comme dans les schémas conventionnels. Suite à la réflexion sur le miroir plasma, des jets d’électrons ultra-denses peuvent être précisément injectés dans les structures accélératrices formées par le laser réfléchi. Comme le solide peut fournir une charge beaucoup plus élevée que le gaz et que la charge est injectée à partir d’une région fortement localisée, ce schéma a le potentiel d’augmenter la charge accélérée tout en préservant la qualité du faisceau accéléré.
Le groupe PHI est à la pointe au niveau international dans l’étude et le contrôle de ces systèmes. En partenariat avec le LOA, nous avons démontré (à l’aide de lasers de classe 100 TW) que ce nouveau concept permet d’augmenter considérablement la charge dans ces accélérateurs tout en conservant la qualité du faisceau.

###Objectifs

Dans ce contexte, l’objectif 1 de la thèse sera de produire un accélérateur laser-plasma avec injecteur miroir plasma à plusieurs GeV sur des installations lasers de classe PetaWatt (type laser APOLLON). Avec un laser de classe PW, cet accélérateur laser-plasma devrait produire des faisceaux d’électrons de plusieurs 100pC à 4GeV avec une dispersion en énergie de quelques %. Une telle qualité de faisceau constituerait une avancée majeure dans le domaine.

L’objectif 2 sera ensuite d’envoyer ce faisceau d’électrons dans un convertisseur à haut Z pour produire des paires muons/anti-muons. Nos estimations montrent que l’on pourrait obtenir de l’ordre de 10^4 muons relativistes par tir, ce qui permettrait de fournir une radiographie de matériaux à haut Z en quelques minutes.

Ce sujet comporte à la fois des activités :

>Théoriques/numériques de modélisation à l’aide de notre code exascale WarpX (partie accélérateur laser-plasma) et du code Geant4 (partie convertisseur haut Z)

>Expérimentales (interaction laser-plasma à haute intensité, détection de muons relativistes).

Il implique plusieurs laboratoires partenaires :

>Le Laboratoire d’Optique Appliquée sur les expériences d’accélération laser-plasma (A. Leblanc),

>Le CEA-IRFU sur la partie détection (technologie micromegas, O. Limousin),

>Le Lawrence Berkeley National Lab sur la partie développement de code (WarpX).

En termes expérimental, nous utiliserons plusieurs installations laser :

>L’installation laser UHI100 pour la mise en place et le test de l’accélérateur plasma à puissance laser plus réduite,

>L’installation laser APOLLON pour la mise en place de l’accélérateur laser-plasma à puissance nominale (PW). Une première expérience implémentant le concept d’injecteur miroir plasma au PW est prévue en Mai 2024 en collaboration CEA-LOA. Suite à cette expérience, nous réaliserons ensuite une deuxième expérience (horizon 2025-2026) de production de muons sur APOLLON ou d’autres laser en Europe (dont les lasers ELI).

Expériences virtuelles de diffusion neutronique de la modération à la détection des neutrons.

La communauté française de diffusion neutronique propose de construire une nouvelle source de diffusion neutronique de type HiCANS, High-Current Accelerator-driven Neutron Source. Une telle source utiliserait un accélérateur de proton de basse énergie, quelques dizaines de MeV, pour produire des neutrons thermiques et froids et alimenter une suite instrumentale d’une dizaine de spectromètres. L’objectif du projet de thèse est de construire une description multi-échelle du fonctionnement d’un appareil de diffusion neutronique allant de la description des processus microscopiques de modération des neutrons et des interactions des neutrons avec la structure atomique et la dynamique des échantillons en passant par la propagation des neutrons à travers des éléments optiques avancés et la production de particules secondaires créant du bruit de fond. L’objectif final et de pouvoir réaliser des expériences de diffusion neutroniques virtuelles et de prédire de manière aussi fine que possible les performances des instruments sur la future source ICONE.

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.

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