Impact des ultrasons de puissance sur les propriétés d’écoulement de suspensions complexes
L’industrie nucléaire produit des déchets de diverses natures telles que des solides, des liquides mais aussi des « boues » qui sont issues des procédés de traitement des effluents ou aux résidus de fond de cuve ou de fond de piscine d’entreposage. La nature physico-chimique et l’historique de ces boues font qu’elles présentent un comportement à l’écoulement particulier les rendant parfois difficilement manipulables en amont de leur immobilisation en matrice de conditionnement. Afin de fluidifier ces suspensions de compositions variées l’action mécanique des ultrasons de puissance est envisagée. Il a récemment été montré, grâce à un montage couplant les ultrasons de puissance et la rhéologie, qu’il était possible de fortement diminuer le seuil d’écoulement et la viscosité de la boue en appliquant des ultrasons. Il s’agira dans ce travail de thèse de poursuivre les études engagées (Physico-chimie, microstructure, ultrason et rhéologie) sur des boues reconstituées ou sur des suspensions modèles simplifiées en se focalisant plus spécifiquement sur deux aspects. Le premier, plus fondamental, visera une meilleure compréhension de l’interaction entre les ultrasons de puissance et la matière avec une attention particulière portée sur l’origine des effets observés (interfaces vs volume). Le second volet sera plus appliqué avec le développement de dispositifs expérimentaux originaux à plus grande échelle pouvant générer des écoulements plus proches de situations industrielles.Nous recherchons pour ce travail une personne motivée, sérieuse et curieuse. De part le caractère pluridisciplinaire de ce sujet alliant la physique, la physico-chimie et le développement expérimentale, le candidat pourra valoriser ses compétences dans divers secteurs industriels tels que le nucléaire, le génie civil ou encore le domaine de la dépollution.
La thèse se déroulera dans un laboratoire du CEA Marcoule doté d'un environnement scientifique, technique et humain permettant la réalisation des travaux. Des séjours de courte durée sont à prévoir au laboratoire de physique de l’ENS de Lyon. Ce sujet de thèse, alliant une partie de compréhension fondamentale et une partie appliquée, offre des perspectives de carrière variées : soit une poursuite en post-doctorat, soit une carrière dans l’industrie.
Mesure et modélisation de l'activité chimique des composant de milieux complexes en hydrométallurgie
Les procédés d’extraction modernes reposent sur l’utilisation optimale de fluides complexes dont la compréhension détaillée reste trop empirique. Pour y palier, de nouveaux progiciels de simulation multi-échelle sont développés, avec un des inconnues à l’échelle mésoscopique, où l'agrégation des molécules, les structures d'interfaces (etc.) n’y sont pas bien compris. L’activité chimique est ici clé, puisqu’elle contrôle les processus d’échange et de transfert. La connaitre permet de valider ces progiciels. Il faut donc pouvoir la mesurer et analyser de manière fiable pour chaque composant, notamment ceux volatils. Nous avons proposé de le faire par mesure de leurs pressions partielles. Une première version d’un appareil microfluidique a ainsi été développée et brevetée qui permet de mesurer simultanément par spectroscopie infrarouge dans un guide d’onde creux, les pressions partielles des composants volatils. Ce dispositif expérimental prototype a été validé sur des systèmes simples. L’objectif de cette thèse est de démontrer le potentiel applicatif de cet outil unique pour la simulation et le développement rapide de procédés, en s’intéressant à des cas concrets importants, à la fois du point de vue expérimental que de celui de la modélisation. Ce type d’études serait totalement inédit et permettrait de vérifier expérimentalement pour la première fois les prédictions de stabilité de fluides complexes.
L’étudiant(e) en thèse devra dans un premier temps faire une mise à jours de la brique microfluidique. Il/elle l’utilisera ensuite pour mesurer les activités chimiques des fluides complexes précités et travaillera à l’interface avec Jean-François Dufrèche pour tester / valider / développer plus avant les progiciels. Dans un deuxième temps, à la NTU de Singapour et sous la co-direction du professor Alex Yan Qingyu (https://personal.ntu.edu.sg/alexyan/ ), il/elle utilisera la plateforme microfluidique dupliquée qui est actuellement assemblée, pour appliquer ces résultats au développement rapide d’un procédé d’extraction d’un métal critique issu du recyclage des composants électroniques des circuits imprimés (laboratoire commun SCARCE).
Résultats attendus : publications, progiciel propriétaire et brevets éventuels sur les nouveaux procédés développés.
Étude du transport des impuretés dans des plasmas à triangularité négative et positive
La fusion nucléaire dans un tokamak est une source d'énergie prometteuse. Cependant, une question se pose : quelle configuration plasma est la plus susceptible de produire de l'énergie nette ? Pour contribuer à y répondre, au cours de cette thèse, nous étudierons l’impact de la géométrie magnétique (comparaison entre triangularité positive et négative) sur le transport collisionnel et turbulent du tungstène (W). Les performances d’un tokamak dépendent fortement du confinement de l’énergie qu’il peut réaliser. Le confinement se dégrade fortement en fonction du transport turbulent et du rayonnement, ce dernier étant principalement émis par le W. Sur ITER, la quantité tolérée de W au cœur du plasma est d’à peine 0,3 microgrammes environ. Des expériences ont montré que la géométrie plasma à triangularité négative (NT) est bénéfique pour le confinement car elle réduit significativement le transport turbulent. Cette géométrie permet d'atteindre un confinement équivalent à celui obtenu avec la configuration ITER (mode-H en triangularité positive), sans les limitations d’une puissance seuil minimale et sans les relaxations du bord du plasma qui lui sont caractéristiques. Cependant, des questions subsistent : quel niveau de transport du W est rencontré en NT comparé à la géométrie positive ? Quel niveau de rayonnement peut-on espérer dans des futurs réacteurs en NT ? Pour contribuer à répondre à ces questions, au cours de cette thèse, nous évaluerons le rôle de la triangularité sur le transport des impuretés dans différents scénarios dans WEST. La première phase du travail est expérimentale. Ensuite, la modélisation du transport d’impuretés sera réalisée en utilisant des modèles collisionnels et turbulents. Une collaboration est prévue avec des experts internationaux en plasma dans des configurations NT, avec UCSD (États-Unis) et EPFL (Suisse).
Renforcement à la fracture de métamatériaux d’architecture aléatoire par des hétérogénéités de structure
Une méthode privilégiée pour réduire l’impact environnemental des structures ou l’empreinte énergétique des véhicules, est de diminuer la masse de matière nécessaire à leur fabrication, sans nuire à leur performance mécanique. L’avènement des métamatériaux mécaniques a ici amené une révolution majeure. Ces métamatériaux, souvent fabriqués par fabrication additive, prennent la forme de microtreillis. Intrinsèquement poreux, donc légers, l’arrangement géométrique des micropoutres ou microtubes qui les constituent (leur architecture), peut être sélectionné de manière à les rendre rigides, ce qui en font des candidats de choix pour des applications de haute technologie où le ratio rigidité sur densité est important, dans l’aérospatiale par exemple (https://fr.wikipedia.org/wiki/Micro-lattice).
Cependant, la majorité des métamatériaux développés jusqu’à présent reposent sur des architectures périodiques. En conséquence, leur comportement mécanique est intrinsèquement anisotropique, ce qui rend difficile leur modélisation à l’aide des approches conventionnelles développées en mécanique des matériaux, et limite fortement leur utilisation dans de nombreux domaines d’application. Nos récents travaux ont mis au point une nouvelle classe de métamatériaux en microtreillis avec une organisation aléatoire des micropoutres, générés par la combinaison d’algorithmes d’empilements aléatoires compacts et de triangulation de Delaunay puis fabriqués par impression 3D. Ces métamatériaux présentent un comportement mécanique localement isotrope, dont le rapport rigidité/densité atteint la limite théorique. Ils restent néanmoins fragiles, et sont peu résistants à la fracture et au flambage.
L’objectif de cette thèse est de renforcer les performances de ces métamatériaux en s’inspirant de certains mécanismes qui sous-tendent la physique des polymères et de la matière molle. La piste exploitée consiste à introduire de manière statistique mais contrôlée, des hétérogénéités de structure, aussi bien au niveau des nœuds (en modulant leur connectivité) qu’au niveau des micropoutres (en faisant varier leur section ou/et leur forme). Ces hétérogénéités localisées permettent d’introduire, à différentes échelles et de manière contrôlée, des dissipations mécaniques dans le réseau. Il s’agira dans cette thèse de caractériser expérimentalement les propriétés mécaniques de ces métamatériaux afin de les comparer à leurs homologues homogènes, et d’étudier leur résistance à la rupture. Les essais seront réalisés à l’aide d’un dispositif expérimental original, spécifiquement développé au sein du SPHYNX. Différentes techniques d’analyse seront employées pour suivre les déformations locales et détecter les événements de (micro)fissuration avec précision. Un volet théorique, complété par des simulations numériques s’appuyant sur des modèles de réseau de fusible et de poutre aléatoires, peut également être envisagé.
Ce projet interdisciplinaire, à forte composante expérimentale, demande une appétence forte pour l’instrumentation et le travail d’équipe. Des compétences en mécanique expérimentale, en science des matériaux et/ou en physique statistique sont souhaitées. Sans être indispensable, des connaissances en modélisation et en simulation numérique constitueraient un atout supplémentaire. Le caractère à la fois fondamental et appliqué de cette recherche offrira au futur doctorant ou à la future doctorante de nombreuses perspectives professionnelles, tant dans le milieu académique que dans l’industrie.
Modèle de microémulsion : Vers la prédiction des procédés d’extraction liquide-liquide
Cette thèse de modélisation multi-échelle vise à développer des approches théoriques et des outils numériques innovants pour prédire les procédés d’extraction des métaux stratégiques, indispensables à la transition énergétique. Parmi les méthodes existantes, l’extraction liquide-liquide est un procédé clé, mais ses 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 modélisation 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 chimie théorique, modélisation, calcul numérique et chimie-physique, lui offrant de nombreuses opportunités professionnelles, tant en recherche académique qu’en R&D industrielle.
Étude des interactions entre les sels de lanthanides et les systèmes lipidiques
Les interactions lanthanide–lipide ont suscité un vif intérêt en raison de leur importance dans les applications biophysiques et technologiques, notamment l’imagerie par résonance magnétique, le marquage cellulaire par fluorescence et la vectorisation de médicaments. Ce projet vise à étudier les interactions entre différents sels de lanthanides (LnX3, où X = Cl-, ClO4-, NO3-, etc.) et des agrégats lipidiques, en se concentrant sur les phénomènes de précipitation et de gélification qui se produisent lorsque leur concentration dépasse un certain seuil. La compréhension de ces phénomènes est essentielle pour l’étude de l’auto-assemblage et du comportement de phase dans les systèmes de matière molle. En examinant la manière dont les ions lanthanides interagissent avec les agrégats lipidiques — notamment en présence de différents anions — cette étude cherche à élucider leurs rôles dans l’induction de la précipitation et de la gélification. À cette fin, une combinaison de techniques spectroscopiques, de diffusion, de microscopie et de rhéologie sera employée pour caractériser les interactions moléculaires au sein des systèmes lanthanide–phospholipides. Ces recherches fourniront des informations sur les propriétés structurales et dynamiques de ces systèmes et soutiendront leur application dans des contextes à la fois biophysiques et technologiques.
IA explicative pour l'interpretation des données de Diffusion aux Petits Angles
La thèse se déroulera dans deux laboratoires de Paris-Saclay : un groupe à l’expertise en intelligence artificielle développée depuis de nombreuses années MIA-PS (INRAE) et un autre en physique de la matière – matière molle, biologie- MMB-LLB (CEA/CNRS).
Les techniques de Diffusion aux Petits Angles (rayons X, neutrons, lumière) concernent une communauté toujours croissante, particulièrement active en France en particulier en matière molle et biologie. Le passage des données dans l’espace réciproque à l’espace réel se fait via des modèles différents - dont le groupe MMB est expert, que cela concerne la forme – sphère, bâton, plaquette, chaine polymère, ou les interactions - attraction, agrégation, répulsion, arrangement. De plus, des structures plus complexes, comme les protéines ou les agrégats irréguliers, nécessitent des approches computationnelles ou empiriques. Dans tous les cas, la solution n’est pas univoque. Cela est particulièrement difficile pour les groupes de recherche nouveaux arrivants dans la technique.
Dans cette thèse, grâce à l’expertise de MIA-PS en IA (machine learning, optimisation, visualisation), l’accent sera mis sur le développement de méthodes d’IA dite explicable. Une partie de la modélisation passe par des modèles mathématiques et physiques expliqués, une autre partie par des modèles dits « boites noires », que l’on s’attachera à progressivement expliquer.
Le-la doctorant-e pourra accéder aux données de trois cas d’utilisation (« use-cases ») fournis par le LLB, et à leurs experts, pour développer une méthodologie générique. Un premier pas pourra s’appuyer sur le logiciel mondialement partagé SasView, mine de modèles explicites. Nous avons d’ores et déjà reçu un accueil positif de la part des développeurs de SasView, qui pourra donc être un vecteur de dissémination. Apport précieux, les mesures de DPA complémentaires seront accessibles via les plateformes du LLB, et des synchrotrons Soleil et ESRF.
Par la suite, un volet sur l’interactivité homme-machine - garantissant que les utilisateurs restent pleinement responsables de la construction d’une explication physico-chimique-biologique., pourra être mis en place. Le MIA-PS est également expert en méthodes de visualisation interactive avancées.
Le sujet combine donc des développements très avancés en informatique et une richesse de systèmes dans l’espace réel choisis pour leur originalité et bien sûr, leurs retombées.