Génération de micro-particules de césium silicaté de Fukushima
Microscopiques de par leur taille, mais grandes de par leur impact environnemental, les microparticules de césium détiennent une des clés de la compréhension de l’accident nucléaire de Fukushima. Suite à l'accident de Fukushima Daiichi, ces microparticules de verre silicaté riches en césium (MSC) ont été découvertes dans l'environnement, portant une part significative de la radioactivité. Très peu solubles dans l'eau, elles diffèrent de celles observées à Tchernobyl. Une thèse précédente a démontré que ces MSC pourraient être issues de l'interaction entre le corium et le béton lors d'un accident grave, via des expériences à petite échelle. L'étude a permis de reproduire des particules similaires, constituées de silice amorphe avec des nano-inclusions cristallines. Toutefois, les résultats doivent être affinés, notamment en ce qui concerne la présence de zinc et de calcium. La thèse proposée vise à explorer les mécanismes physico-chimiques menant à la synthèse de ces MSC. Des expériences en laboratoire recréeront les conditions d'interaction corium-béton, représentatives de Fukushima, afin d'optimiser les compositions et d'améliorer la modélisation des relâchements de ces particules dans les outils actuels d'évaluation des accidents graves.
Analyse et modélisation des interactions ions-catalyseur-ionomère dans une électrode de cellule d’électrolyseur AEM
Le CEA/Liten est un organisme de recherche sur les énergies nouvelles. Il propose une thèse sur la production d'hydrogène vert par électrolyse de l'eau avec une technologie nouvelle. Les 3 types d'électrolyses de l'eau pour produire de l'hydrogène à partir d'électricité sont : l'électrolyse haute température, l'électrolyse basse température alcaline, l'électrolyse basse température PEM (à membrane échangeuse de protons). Tous ces types d'électrolyse ont leurs avantages et leurs inconvénients. Très récemment, un nouveau type d'électrolyse est né : l'électrolyse basse température à membrane AEM (échangeuse d'anions OH-). C'est un compromis entre les électrolyses PEM et alcaline pour bénéficier des avantages de ces 2 technologies. Des premiers prototypes d'un tel dispositif existent au CEA et sont étudiés à l'échelle de la cellule ou du stack mais les mécanismes impliqués dans les réactions électrochimiques et chimiques à plus petites échelles au sein des électrodes sont encore mal connus. En particulier, les interactions (échanges d'ions, potentiels ioniques) entre le ionomère de la couche active, la membrane et la solution d'eau et de KOH dilué sont mal compris. L'objectif de la thèse est 1/d'étudier ces mécanismes et de les quantifier en développant des expériences élémentaires puis, 2/ de les modéliser et d'implémenter ces modèles dans un code électrolyseur maison existant et enfin 3/de simuler des courbes de polarisation pour valider l'ensemble des modèles du code incluant ceux développés par le thésard.
Cette thèse sera à cheval sur 2 laboratoires : un laboratoire expérimental et un laboratoire de simulation dans lesquels l'étudiant(e) trouvera toutes les compétences nécessaires à l'atteinte de ces objectifs. Cette thèse est liée à plusieurs projets impliquant des personnes du CEA et d'autres laboratoires universitaires français. L'étudiant(e) sera donc dans un environnement de travail où cette thématique est en plein essor.
Il est demandé au candidat de bonnes connaissances en électrochimie et en chimie des polymères et d'avoir des notions de modélisation et d'utilisation de logiciels tels que Comsol.
Essais thermomécaniques jusqu’à de hautes températures sur une céramique nucléaire irradiée
Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre des études sur les interactions pastille-gaine dans les crayons combustibles utilisés dans les réacteurs des centrales nucléaires à eau pressurisé. L’exploitant doit assurer et démontrer l’intégrité de l’ensemble des crayons, en toutes situations. Or, les contraintes mécaniques subies par la gaine, première barrière de sûreté, sont reliés aux propriétés viscoplastiques du combustible. Il faut donc connaître ces propriétés et leurs évolutions en fonctionnement.
Le sujet de thèse proposé s’intéresse particulièrement à la caractérisation en cellule de haute activité de combustibles irradiés en réacteur nucléaire. Une des difficultés majeures réside dans le fait que les combustibles issus d’une irradiation en réacteur sont multi-fissurés, ce qui rend leurs caractérisations mécaniques particulièrement compliquées. Toutefois, une thèse en cours (2022-25) a permis de (i) concevoir une machine spécifique d’essais thermomécaniques, (ii) qualifier en partie ce dispositif, (iii) mettre en place des outils et méthode d’extraction d’échantillon fissuré, (iv) ainsi qu’une modélisation intégrale du système (jumeau numérique).
La thèse proposée ici correspond à la suite de ces travaux et sera construite en quatre étapes sur trois plateformes expérimentales disponibles au CEA
1. Prise en main et amélioration des outils numériques et expérimentaux existant,
2. Implémentation du dispositif en cellule de haute activité sur un four existant,
3. Réalisation d’essai thermomécanique sur combustible irradié ; ce qui constituera en soi une première mondiale dans ces conditions.
Les essais demanderont des post-traitements dédiés basés sur une discussion essai-simulation. En premier lieu, cela permettra de décolérer les phénomènes et de se focaliser sur le comportement viscoplastique du matériau. Une fois la base expérimentale suffisamment étoffée et interprétée, il sera alors possible de conforter ou revoir les lois de comportement du combustible. Un lien avec la microstructure des matériaux pourrait être abordé.
Tout au long de ces étapes, le thésard s’appuiera sur les compétences et expertises de différents laboratoires du Département d'études des Combustible (Institut IRESNE, CEA Cadarache) et sur un environnement collaboratif académique. Cette thèse s'inscrit également dans le cadre du projet européen OPERA HPC et en est un enjeu majeur.
Le doctorant devra présenter un goût marqué pour l’approche expérimentale et quelques facilités pour l’utilisation d’outils numériques. Des connaissances en science des matériaux sont le minimum requis. Au long des trois années de doctorat, le doctorant améliorera ses compétences multiphysiques en conception de dispositifs expérimentaux et comportement des matériaux à haute température, ainsi qu’en simulation numérique, ce qui facilitera son insertion professionnelle. Au regard de l’ampleur de la tâche, il serait préférable, mais non obligatoire, que le candidat ait suivi préalablement le stage de master lié à ce sujet (voir par ailleurs).
Étude multi-échelle du transport ionique dans des matériaux nanoporeux hiérarchiques non saturés : application aux matériaux cimentaires
Le transport ionique est crucial pour déterminer la durabilité des matériaux à base de ciment et, par conséquent, l'extension de la durée de vie des (infra)structures en béton. Les phénomènes de transport déterminent la capacité de confinement du béton, essentielle à la conception et à la gestion des infrastructures en béton pour la production d'énergie. Dans la plupart des conditions de service, le béton se trouve dans un état non saturé. Un transport anormal a été observé dans les matériaux à base de ciment, et les raisons de ces écarts par rapport au comportement attendu d'autres matériaux poreux peuvent provenir de processus à l'échelle nanométrique.
A ce jour, la majorité des modélisations prédictives de la durabilité ne tiennent pas explicitement compte des processus à l’échelle nanométrique, pourtant fondamentaux pour déterminer les propriétés de transport. Des progrès récents ont été réalisés dans la quantification du comportement de l'eau confinée dans diverses phases présentes dans les systèmes cimentaires. Les silicates de calcium hydratés (C-S-H) sont la principale phase hydratée dans les matériaux à base de ciment et présentent des nanopores dans les gammes microporeuses et mésoporeuses. Cependant, les effets de la désaturation restent encore à élucider pleinement. Une compréhension fondamentale des processus de transport nécessite un cadre multi-échelle dans lequel l'information de l'échelle moléculaire se répercute à travers d'autres échelles pertinentes (en particulier, l'échelle mésoscopique associée à la porosité du gel C-S-H (~nm), la porosité capillaire et la zone de transition interfaciale (~µm) jusqu'à l'échelle macroscopique des applications industrielles dans les matériaux à base de ciment).
L’objectif de ce travail de doctorat est d’évaluer le transport ionique des chlorures, une espèce critique pour la durabilité du béton, en conditions non saturées en combinant des simulations à petite échelle, une modélisation multi-échelle et des expérimentations dans une approche ascendante. Le travail se concentrera sur le C-S-H. Le projet vise à caractériser les effets de la désaturation sur les processus nanométriques qui gouvernent le transport des chlorures.
mise en ordre de l’oxygène dans le zirconium : mécanismes, cinétiques et propriétés mécaniques associés
Ce travail de thèse à pour but d'étudier les propriétés des alliages binaires zirconium-oxygène (Zr-O), notamment dans le cadre des applications nucléaires. Traditionnellement, l'oxygène est considéré en solution solide dans la matrice de zirconium, sans formation de composés ordonnés comme Zr6O ou Zr3O. Cependant, des études récentes suggèrent qu’à des températures inférieures à 600°C, des composés ordonnés peuvent se former, affectant la limite de solubilité de l'oxygène. Ces composés, observés après des traitements thermiques, pourraient modifier les propriétés mécaniques des alliages Zr-O, en particulier à température ambiante et jusqu’à 350°C. La thèse proposée cherche à comprendre ces mécanismes à travers des expériences de diffraction des rayons X et de microscopie électronique, pour étudier l'arrangement de l'oxygène, la stabilité thermique des composés et leur impact sur la déformation plastique. Cela vise à optimiser l’utilisation de ces alliages dans les réacteurs nucléaires.
Quantification et Optimisation de l’Etat Thermomécanique de Supraconducteurs Nb3Sn Lors du Traitement Thermique
En accord avec la volonté annoncée par le CERN de mettre en œuvre un super-collisionneur de type FCC, des électro-aimants supraconducteurs à haut champ à base de Nb3Sn sont développés. Dans le cadre de la collaboration européenne HFM (High Field Magnets), le LEAS au CEA Paris-Saclay conçoit, fabrique, et teste des démonstrateurs d’aimants supraconducteurs à base de Nb3Sn générant jusqu’à 16 T. Les conducteurs Nb3Sn requièrent un traitement thermique à 650°C. Au cours de ce traitement thermique, différents phénomènes physico-chimiques mènent à la formation de la phase supraconductrice Nb3Sn. Ces phénomènes induisent un état mécanique impactant les propriétés supraconductrices du matériau. Or, les propriétés mécaniques de la phase Nb3Sn, et des autres matériaux constituants le conducteur, sont peu voire pas du tout connues. Le but de cette thèse est d’étudier, à l’aide de modélisations et d’expériences, l’état thermomécanique de conducteurs lors du traitement thermique afin d’estimer les contraintes internes et leur impact sur les performances supraconductrices. Les résultats permettront d’améliorer les performances supraconductrices du Nb3Sn en vue de produire des aimants à haut champ pour les futurs accélérateurs.
Etude des mécanismes d’altération des combustibles irradiés de type MOX en présence de matériau cimento-bentonitique (MREA). Approche expérimentale et modélisation
En France, la solution de référence est le retraitement du combustible irradié et la valorisation de certaines matières comme l’uranium et le plutonium au travers la fabrication du combustible MOX et son recyclage. Cependant, le stockage direct des combustibles (UOX et MOX) en couche géologique profonde est également étudié afin de s’assurer que les concepts de stockage français (Cigéo) sont compatibles avec le combustible irradié comme demandé et inscrit dans le Plan National de Gestion des Matières et des Déchets Radioactifs (PNGMDR). A ce titre, il est essentiel d’étudier les mécanismes d’altération de la matrice des combustibles irradiés en présence de matériaux d’environnement se rapprochant, à l’échelle du laboratoire, du concept actuel de stockage des déchets radioactifs en couche géologique profonde : alvéoles HA creusées dans l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx) dont le chemisage en acier faiblement allié est isolé de l’argilite par un coulis cimento-bentonitique appelé MREA (Matériau de Remplissage de l’Espace Annulaire de l’alvéole). Les objectifs sont multiples : d’une part déterminer quel est l’impact de l’environnement sur les mécanismes d’altération de la matrice du combustible ainsi que sur les relâchements en radionucléides, et d’autre part développer une modélisation géochimique permettant de rendre compte des principaux processus physico-chimiques impliqués. Ces études sont menées au sein de l'installation ATALANTE (DHA) du CEA Marcoule, ou les expériences de lixiviation et les caractérisations des combustibles MOX sont réalisables.
Rhéologie de suspensions concentrées en charges minérales
En tant qu’organisme de recherche dans le domaine du nucléaire et des énergies alternatives, le CEA participe à des études fondamentales mettant en jeu également des suspensions denses. En effet, des particules inorganiques (verre, zéolite, boues, sels ou ciment/sable) suspendues dans un fluide, parfois de très haute viscosité comme le bitume, font parties des systèmes à l’étude pour diverses applications telles que l’optimisation du remplissage de colis de verre (procédé Dem N’ Melt) ou encore de colis cimentaires, où les propriétés d’écoulement sont à optimiser pour garantir une homogénéité des futs de déchets. Outre, la problématique de la reprise (boues historiques), du traitement et du conditionnement de déchets en matrice vitreuse ou bitumineuse, des suspensions concentrées de grains de verre sont à l’étude pour la production de dihydrogène par électrolyse à haute température.
Il s'agira dans un premier de travailler sur des suspensions concentrées modèles et de caractériser leurs propriétés d'écoulement en cisaillement et en compression. Ce mode de sollicitation peut déclencher l’apparition de régimes frictionnels, de séparation de phases liquide/solide, et diverses réponses non-linéaires qu'il s'agira de modéliser. Apres cette première étape, la topologie, la granulométrie et la polydispersité des particules solides seront modifiées pour se rapprocher au plus prêt des suspensions rencontrées dans l'industrie.
Matériaux activés conducteurs pour la conversion énergétique et le stockage de l’énergie par effet capacitif
La production d’énergie à partir de sources renouvelables nécessite des systèmes de stockage efficaces pour pallier les déséquilibres entre offre et demande. Le projet propose de développer des super-condensateurs économiques en utilisant des électrodes composites issues de sous-produits industriels. Les liants minéraux, comme les géopolymères ou les Matériaux Alcali Activés (MAA), rendus conducteurs par dispersion de noir de carbone, sont étudiés pour des applications de stockage d'énergie ou de génération de chaleur. En se basant sur un brevet déposé récemment, nous nous proposons de réaliser une étude approfondie de ces composites conducteurs. Leurs performances seront évaluées en fonction des paramètres de formulation et de mise en forme. Il s’agira également de caractériser finement le réseau poreux et la dispersion des charges conductrices dans le matériau. Enfin, des essais de mise en forme du matériau seront menés et des super-condensateurs seront assemblés, permettant l’étude de l’impact du procédé (impression 3D) et des géométries.
Stabilisation des phases secondaires dans les aciers ferritiques nanorenforcés : Approche par criblage à haut débit de compositions chimiques
Les aciers ferritiques renforcés par dispersion de nano-oxydes (Oxide Dispersion Strengthened, ODS) sont envisagés pour les réacteurs nucléaires de 4ème Génération et de fusion en raison de leurs excellentes propriétés thermomécaniques et de leur stabilité sous irradiation. Toutefois, ces aciers sont fragilisés par des phases secondaires résultant des interactions complexes entre les éléments d'alliage et les interstitiels (C, N, O) introduits lors de leur élaboration. Certains éléments d’alliage (tels que Nb, V, Zr, Hf) pourraient stabiliser ces phases indésirables et réduire leur effet néfaste sur le comportement mécanique des ODS. Cette thèse a pour objectif de développer une méthode de criblage à haut débit afin d'identifier les compositions d'alliages optimales, en associant des techniques rapides d’élaboration et de caractérisation. Le(la) doctorant(e) synthétisera différents aciers ODS par métallurgie des poudres et réalisera les caractérisations chimiques, microstructurales et mécaniques. Ces travaux permettront d'améliorer la compréhension des mécanismes de stabilisation des interstitiels et de proposer des méthodologies efficaces pour caractériser de nouveaux matériaux. Le(la) doctorant(e) bénéficiera d'une formation approfondie en métallurgie et en traitement de données, ouvrant des perspectives dans l'industrie, les start-ups du nucléaire et la recherche.