Suivi et modélisation de l'évolution des propriétés microstructurales au cours de la fabrication du combustible MOX : impact de la chamotte
Le combustible nucléaire MOX (Mixed OXide), céramique obtenue à partir d’un mélange d’oxydes d’uranium et de plutonium, constitue une alternative stratégique pour la valorisation du plutonium provenant du retraitement des combustibles usés. Les pastilles de MOX sont fabriquées industriellement par un procédé de métallurgie des poudres couplé à une densification du matériau avec un frittage à haute température. Les rebuts de production sont réintroduit dans le procédé sous forme de poudre chamottée. Cependant, l’influence de la teneur et de la nature de cette chamotte sur la stabilité microstructurale du matériau reste encore mal connue, notamment lors des étapes de pressage et de frittage. Ceci constitue un élément clé à la fois sur la tenue mécanique et le comportement en réacteur des combustibles MOX. Une meilleure compréhension de ces phénomènes, associée à une modélisation fine, permettrait d’optimiser les procédés industriels et d’améliorer à terme la fiabilité de ces combustibles.
L’objectif de ce projet de thèse est d’étudier et de modéliser l’évolution des propriétés microstructurales du combustible MOX en fonction de la teneur et de la nature de la chamotte ajoutée lors de la fabrication. La stratégie de la thèse s’appuiera sur une approche intégrée combinant une étude expérimentale à des simulations numériques. Elle repose sur une caractérisation multi-échelle de la microstructure couplant des techniques d’imagerie et de spectroscopie et sur une reconstruction tridimensionnelle de la microstructure à partir d’images 2D expérimentales. L’objectif étant à terme de relier les propriétés élastiques du matériau à sa microstructure. Ces travaux s’appuieront sur une approche couplant expérience et modélisation, qui conjuguera l’expertise de l'équipe encadrante dans la mise en œuvre d’expérimentations sur matériaux plutonifères et dans la modélisation numériques (modélisation micromécanique, calcul FFT).
A l’issue de cette thèse, le(la) candidat(e), de formation initiale en physico-chimie des matériaux, maitrisera un large panel de techniques expérimentales ainsi que des méthodes pointues de modélisation numérique sur matériaux céramiques. Cette double compétence lui ouvrira de nombreuses perspectives d’emploi en recherche académique ou en R&D industrielle, au sein comme hors du secteur nucléaire.
L’étude des relations microstructure-propriétés est un domaine considérable de la métallurgie et plus généralement de l’ingénierie des matériaux. C’est par exemple leur microstructure martensitique, due à un changement de phase dans le fer, qui est responsable de la dureté des aciers trempés. Ici, nous abordons une métallurgie de l’extrême, en soumettant des échantillons métalliques à des pressions dans le domaine des 100 GPa (=1 millions d’atmosphères), ce qui permet de synthétiser des phases cristallines nouvelles et présentant potentiellement des propriétés intéressantes (dureté, magnétisme, etc.).
Nos systèmes d’étude seront l’étain, puis l’indium et le cobalt, qui présentent tous trois un polymorphisme riche sous haute pression et température. Nous chercherons à élucider le rôle des défauts comme les macles et de la plasticité sur le mécanisme et la cinétique de ces transitions. Ceci sera fait en comparant les observations expérimentales aux prédictions de microstructures par simulation mésoscopique. Les outils de génération de haute pression/température utilisés seront notamment la cellule à enclumes de diamants chauffée par laser, et les outils de caractérisation l’imagerie X in situ par diffraction et la tomographie, ainsi que la microscopie électronique. Les sources de rayons X utilisées seront des sources synchrotron ainsi que le laser X à électrons libres européen.
Développement de spectres Raman théoriques avec application aux minéraux de la surface de Mars
À mesure que nous repoussons les frontières de l’exploration spatiale avec de nouvelles missions vers les planètes voisines, il devient essentiel d’améliorer nos outils d’investigation. Les rovers martiens ont révélé une minéralogie de surface sans équivalent sur Terre, façonnée par une ancienne hydrosphère suivie d’un long épisode de conditions froides et arides. Il a été montré que se sont formés des perchlorates ou des phases vitreuses mixtes silicates-sels — des minéraux difficiles à synthétiser et à stabiliser sur Terre, mais qui demeurent étonnamment stables sur Mars. Les données récentes de spectrométrie Raman confirment leur présence et ouvrent la voie à des recherches approfondies. Comprendre ces minéraux pourrait offrir de nouvelles perspectives sur la chimie martienne et l’évolution planétaire.
Nous cherchons ici à calculer les spectres Raman théoriques des perchlorates et d’autres minéraux martiens à l’aide de la théorie de la perturbation de la fonctionnelle de la densité (DFPT), telle qu’elle est implémentée dans le logiciel ABINIT. L’objectif est d’obtenir non seulement la position et l’intensité des pics, mais aussi et surtout leur largeur. Ces données sont nécessaires pour distinguer correctement des spectres similaires et pour estimer, par intégration, l’intensité réelle des pics, directement comparable aux valeurs expérimentales mesurées sur le terrain. Cela permet d’identifier les pics représentatifs utilisables pour la reconnaissance des minéraux et d’analyser les modes de déplacement associés aux vibrations. Les résultats de nos simulations seront comparés et interprétés à la lumière des mesures effectuées par les rovers actuellement présents à la surface de Mars.
Pour cela, nous devons implémenter plusieurs dérivées d’ordre trois et quatre de l’énergie. Cette implémentation prendra la forme d’une série de termes DFPT, où les perturbations pourront être des déplacements atomiques ou des champs électriques. Nous utiliserons une combinaison du théorème du (2n+1) et de différences finies. Le tout sera réalisé dans le cadre de l’approche "Projector Augmented-Wave" (PAW) en DFT. L’ensemble du développement sera intégré dans le logiciel ABINIT et mis à la disposition de toute la communauté. ABINIT (www.abinit.org) est un projet collaboratif international à grande visibilité, dédié aux simulations ab initio basées sur la DFT et la DFPT. Les spectres calculés seront mis à disposition de la communauté via la base de données WURM.
Le candidat retenu sera co-encadré entre les groupes de l’IPGP (Paris) et du CEA (Bruyères-le-Châtel, au sud de Paris). L’IPGP est un institut de recherche en géosciences de renommée mondiale, fondé en 1921, associé au CNRS, composante de l’Université Paris Cité, et employant plus de 500 personnes. Le groupe dirigé par Razvan Caracas est très actif dans la minéralogie computationnelle, l’étude de la matière dans des conditions extrêmes et la planétologie. Le groupe de simulation quantique de la matière du CEA Bruyères-le-Châtel, coordonné par Marc Torrent, est l’un des principaux groupe de développement du logiciel ABINIT, et particulièrement actif dans la théorie de la fonctionnelle de la densité, l’approche PAW et le calcul haute performance.
Jonctions Tunnel Magnétiques aux limites
L'électronique de spin, grâce au degré de liberté supplémentaire apporté par le spin de l'électron, permet de déployer une physique du magnétisme à petite échelle très riche, mais également d'apporter des solutions technologiques de ruptures dans le domaine de la microélectronique (stockage, mémoire, logique...) ainsi que pour la mesure du champ magnétique.
Dans le domaine des sciences du vivant et de la santé, des dispositifs à base de magnétorésistance géante (GMR) ont fait la démonstration de la possibilité de mesurer à échelle locale les champs très faibles produits par les cellules excitables (Caruso et al, Neuron 2017, Klein et al, Journal of Neurophysiology 2025).
La mesure de l'information contenue dans la composante magnétique associée aux courants neuronaux (ou magnétophysiologie) peut en principe donner un descriptif du paysage neuronal dynamique, directionnel et différentiant. Elle pourrait ouvrir la voie à de nouvelles modalités dans les implants, grâce à leur immunité à la gliose et à leur longévité.
Le verrou actuel est la très petite amplitude du signal produit (<1nT) qui nécessite de moyenner le signal pour le détecter.
Les magnéto-résistances tunnel (TMR), dans lesquelles est mesuré un courant tunnel polarisé en spin, présentent des performances de sensibilité de plus d'un ordre de grandeur par rapport au GMR. Elles présentent cependant actuellement un niveau de bruit à basse fréquence trop élevée pour en tirer tout le bénéfice, notamment dans le cadre de la mesure de signaux biologiques.
L'objectif de cette thèse est de repousser les limites actuelles des TMR, en réduisant le bruit à basse fréquence, pour les positionner comme capteurs de rupture pour la mesure de signaux très faibles, et pour leur potentiel d'amplificateur de petits signaux.
Pour atteindre cet objectif, une première voie reposant sur l'exploration des matériaux composant la jonction tunnel, en particulier ceux de la couche magnétique dite libre, ou sur l'amélioration de la cristallinité de la barrière tunnel, sera déployée. Une seconde voie, consistant à étudier les propriétés intrinsèques du bruit à basse fréquence, en particulier dans des limites jusque-là inexplorées, en très basses températures où les mécanismes intrinsèques sont atteints, permettra de guider les solutions les plus prometteuses.
Enfin, les structures et approches les plus avancées sur l'état de l'art ainsi obtenues seront intégrées à des dispositifs permettant d'une part d'avoir des briques de base pour au delà de l'état de l'art et offrant de nouvelles possibilité pour les applications de l'électronique de spin. D'autre part, ces éléments seront intégrés à des systèmes pour la cartographie en 2D (voire 3D) de l'activité d'un système biologique global (réseau neuronal) et d’évaluer les capacités pour des cas cliniques (comme l’épilepsie ou la réhabilitation motrice).
Il est à noter que ces TMR améliorées pourront avoir d’autres applications dans les domaines d’instrumentation physique, de contrôle non destructif ou d’imagerie magnétique.
Excitations électroniques dans des nano-objets unidimensionels : description ab initio et connection avec l’intrication quantique
La compréhension des propriétés électroniques des électrons de valence dans les nano-objets est à la fois d’un intérêt fondamental et essentiel pour la conception de nouveaux dispositifs optoélectroniques. Dans ces systèmes, le confinement des électrons en basse dimensionnalité leur confère des propriétés exceptionnelles.
Ces propriétés sont liées aux caractéristiques fondamentales de la matière et aux fluctuations quantiques associées. Récemment, l’intrication quantique et l’information quantique de Fisher ont été directement mises en relation avec des propriétés spectroscopiques. Part ailleurs, ces propriétés spectroscopiques sont accessibles par des expériences, telles que l’absorption, la photoémission et la diffusion inélastique des rayons X.
Récemment, nous avons montré que le formalisme largement utilisé pour étudier les nano-objets isolés n’était pas adapté, et que les propriétés optiques qui en avaient été déduites en étaient affectées. Nous avons mis en évidence, théoriquement et expérimentalement, que dans les objets bidimensionnels la réponse optique contenait, en plus de la contribution transverse, une résonance de type plasmon, correspondant à une réponse longitudinale. Le rôle de l’interface s’est révélé déterminant. Le projet que nous proposons cette année consiste à reconsidérer les propriétés optiques des objets unidimensionnels.
Une fois la méthodologie établie pour décrire la fonction diélectrique macroscopique en 1D, nous explorerons ses liens avec l’intrication quantique et l’information quantique de Fisher, qui n’ont encore jamais été évaluées pour des systèmes à basse dimensionnalité.
Origines et conséquences de l’altération hétérogène des verres nucléaires
Cette thèse porte sur l’étude du comportement à long terme des verres nucléaires utilisés pour confiner les déchets radioactifs à vie longue.
En milieu aqueux, ces verres s’altèrent généralement de manière homogène : la transformation en produits d’altération se fait à vitesse régulière sur toute la surface.
Cependant, il existe aussi des cas d’altération hétérogène, où l’interface verre/gel devient irrégulière, créant des piqûres ou des cavités.
Deux grandes questions se posent alors : quels sont les mécanismes responsables et quelles en sont les conséquences sur la durabilité du verre ?
Plusieurs pistes sont évoquées dans la littérature, comme les fluctuations locales de composition de la solution ou l’état de contrainte mécanique de la surface, mais il n'existe pas d'explication définitive.
L’approche proposée ici combine des expériences accélérées associées à des caractérisations (chimie, mécanique, structure), ainsi que la modélisation (par ex. modèles mésoscopiques et Monte Carlo).
Les expériences utiliseront des verres présentant des états de surface variés (polis, irradiés, fissurés…) et des outils analytiques comme le MEB, le MET ou la nanoSIMS.
Une fois les mécanismes identifiés, il sera possible d’évaluer l’impact de ces altérations hétérogènes sur le long terme.
Le projet recherche un profil en chimie ou science des matériaux, avec goût pour la modélisation et solides bases théoriques.
Influence d'une nano-antenne sur le taux de croisement intersystème d'une molécule unique
Dans la suite du projet ANR JCJC PlasmonISC, nous proposons un sujet de thèse majoritairement expérimental en nano-photonique. L’objectif de la thèse est d’étudier l’influence d’une nano-antenne (plasmonique, magnétique ou diélectrique) sur le taux régissant la photophysique d'émission de fluorescence d'une molécule unique, avec un intérêt particulier pour le taux de croisement intersystème. Nous avons développé un banc optique dédié combinant microscopie optique et microscopie à force atomique, une procédure expérimentale, ainsi que les outils de traitement du signal, montrant de premiers résultats encourageants avec une pointe diélectrique. Nous souhaitons continuer d'explorer l'interaction molécule unique/nano-antenne avec d'autres type de pointes générant d'autres effets physiques. La possibilité d’influer de manière contrôlée sur le passage à l'état triplet est d’un grand intérêt pour les sources de photons uniques, et pour les diodes électroluminescentes organiques, ainsi qu'en chimie.
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.
Étude de l’interaction matière-lumière structurée : role des moments angulaires de la lumière et de la chiralité locale en régime attoseconde
Les progrès récents de l’optique ultra-rapide et la maîtrise d’interactions lumière-matière extrêmement non linéaires permettent aujourd’hui de générer des impulsions lumineuses attosecondes (1 as = 10?¹8 s) via la génération d’harmoniques d’ordre élevé (GHOE). Ce processus convertit une impulsion laser femtoseconde en un rayonnement cohérent et ultrabref dans l’extrême ultraviolet (XUV, 10–150 eV). Ces sources uniques permettent d’accéder aux dynamiques électroniques à des échelles sub-femtosecondes et de sonder des transitions spécifiques à chaque élément, auparavant accessibles uniquement sur des installations comme les synchrotrons. Le groupe Attophysique du LIDYL, pionnier dans la génération, la caractérisation et l’utilisation d’impulsions attosecondes, a récemment développé des sources pilotées par des faisceaux portant un moment angulaire de spin (MAS) ou orbital (MAO), ouvrant la voie à l’étude de dynamiques chirales et magnétiques. En combinant ces avancées, cette thèse vise à synthétiser des champs lumineux dont la chiralité varie dans le temps et l’espace, en exploitant notamment la composante longitudinale du champ électrique. Trois régimes seront étudiés : linéaire (pompe-sonde XUV/IR), fortement non linéaire (champs structurés visibles-IR dans des milieux chiraux) et faiblement non linéaire (pompe IR/sonde XUV). Ces travaux ouvriront une nouvelle classe d’expériences en physique attoseconde, combinant exploration fondamentale et applications émergentes.
L’étudiant(e) acquerra une pratique de l’optique des lasers, en particulier femtoseconde, et des techniques de spectrométrie de particules chargées. Il (elle) étudiera également les processus de physique des champs forts sur lesquels se basent la génération d'harmonique élevées. Il/elle deviendra un(e) experte de la physique attoseconde. L’acquisition de techniques d’analyse approfondie, d’interfaçage d’expérience seront encouragées même si non indispensables.
Pour plus de détails: https://iramis.cea.fr/lidyl/pisp/150720-2/
MÉCANISMES LIMITANT LA CONDUCTIVITÉ THERMIQUE DANS LES OXYDES DE TERRES RARES
Comprendre les paramètres qui déterminent l'amplitude de la conductivité thermique (k) dans les solides présente un intérêt à la fois fondamental et technologique. k est sensible à toutes les quasi-particules transportant de l'énergie, et en particulier aux phonons,vibrations collectives des atomes dans les cristaux. Cependant, les mesures de k ont également permis d'identifier des porteurs de chaleur plus exotiques, comme les spinons dans la chaîne ntiferromagnétique de Heisenberg. En termes d'applications, les propriétés thermiques des solides sont au coeur d'enjeux sociaux et environnementaux majeurs. La nécessité, par exemple, de disposer de dispositifs thermoélectriques et de barrières thermiques efficaces pour économiser l'énergie a ainsi motivé la recherche de barrières thermiques présentant une k faible. Toute une série de stratégies ont été proposées pour réduire la vitesse des phonons et/ou leur libre parcours
moyen : utilisation de liaisons interatomiques faibles, forte anharmonicité, nanoconception, structures cristallines complexes ou partiellement désordonnées, etc...Cependant, un autre concept prometteur pour réduire davantage le libre
parcours moyen des phonons est basé sur un autre mécanisme, le couplage magnéto-élastique.
Ce concept est né récemment de l'observation d'un couplage spin-phonon dans différents oxydes de terres-rares. Les excitations magnétiques impliquées dans le couplage magnéto-élastique à l'oeuvre dans ces composés ne sont pas des magnons classiques, mais des excitations de champ cristallin (CEF) à faible énergie. Comme ces dernières sont des excitations électroniques locales, elles ne se dispersent pas et ne peuvent donc pas être associées à des quasi-particules se propageant. En d'autres termes, elles ne sont pas des vecteurs de chaleur potentiels et ne contribuent donc pas à k. Cependant, elles peuvent réduire considérablement la durée de vie des phonons par l'intermédiaire d'un nouveau mécanisme de diffusion.
L'objectif de cette thèse de doctorat est donc d'étudier, tant sur le plan expérimental que théorique, le couplage magnéto-élastique et son impact sur la conductivité thermique. Les systèmes étudiés seront (sans s'y limiter) les pérovskites de Tb et comprendront des compositions à haute entropie ou à stabilisées par entropie, présentant une conductivité thermique très faible.