INGENIERIE DES SURFACES SUPRACONDUCTRICES POUR LES ACCELERATEURS DE PARTICULES ET LES DISPOSITIFS QUANTIQUES
Ce projet développera le dépôt de couches atomiques (ALD) pour l’ingénierie des surfaces de résonateurs supraconducteurs, selon deux objectifs complémentaires destinés aux accélérateurs et aux technologies quantiques.
Le premier concerne le dopage contrôlé des cavités radiofréquences supraconductrices (SRF) en niobium massif. Des films conformes d’épaisseur inférieure ou égale à 10 nm serviront de sources de dopants. Un recuit sous vide poussé ajustera leur distribution dans la région RF active. Cette stratégie vise à améliorer l’uniformité, explorer de nouveaux dopants et supprimer l’électropolissage ultérieur. L’enjeu consiste à inhiber la formation d’hydrures tout en préservant le gap supraconducteur. Les performances visées sont des facteurs de qualité de 8 × 10¹° à 2 K et des gradients accélérateurs de 40–45 MV/m. Soutenu par le projet européen EPITA, cet axe répond aux exigences des futurs accélérateurs, notamment du FCC.
Le second objectif consiste à développer des revêtements protecteurs minimisant les pertes diélectriques, notamment celles associées aux systèmes à deux niveaux. Des composés alternatifs seront étudiés, prolongeant les traitements du CEA combinant oxydes diélectriques et recuit, associés à des facteurs de qualité records en régime quantique.
Un traitement unique pourrait ainsi améliorer les performances dans les deux régimes. Spectroscopies tunnel et X, et TOF-SIMS relieront propriétés supraconductrices, chimie et distributions des dopants. Deux équipements ALD permettront le développement sur échantillons puis le transfert aux résonateurs. Les mesures RF seront réalisées au CEA et chez ses partenaires, notamment au Fermilab aux températures millikelvin, afin d’identifier les mécanismes limitants et d’optimiser les surfaces pour ces deux applications.
Synthèse et Développement de silices greffées adaptées à la séparation des isotopes du bore par chromatographie liquide
L’identification et le développement d’un procédé industriel de production de carbure de bore (B4C) enrichi en bore 10 (10B) s’inscrit dans le cadre des objectifs de la PPE 3. En effet, la construction de nouveaux EPR (Evolutionary Power Reactors), ainsi que les efforts liés à la fermeture du cycle du combustible en lien avec la production de Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR), nécessitera l’accès à des stocks de 10B enrichi pour le démarrage des réacteurs et leur pilotage.
Un procédé d'enrichissement potentiel est la chromatographie sur colonne d’acide borique. Le Laboratoire des Procédés Supercritiques et de Décontamination (LPSD) du CEA Marcoule cherche à développer des matériaux présentant des facteurs d’enrichissement améliorés par rapport aux résines actuelles. La synthèse et l’application de silices greffées par des ligands organiques fournirait une alternative aux résines commerciales.
Le travail de thèse consistera à synthétiser et caractériser (RMN, IR, LC-UV, GC) diverses molécules organiques extractantes pour la séparation des isotopes du bore de l'acide borique. Une fois la synthèse réalisée, une étape de greffage sera réalisée pour créer des matériaux hybrides dont les propriétés physico-chimiques seront évaluées (MEB, BET, ATG, DRX). Par la suite, les capacités de séparation et d’adsorption seront étudiées (colonne simulant le futur procédé).
Le sujet s’adresse à des étudiants en M2 dans le domaine de la chimie organique ou de la chimie des matériaux avec une appétence pour les thématiques d’analyse et de développement de procédés. La rigueur, l’esprit analytique ainsi que des capacités rédactionnelles scientifiques sont attendues. Ce sujet permettra d’acquérir des compétences en chimie de synthèse appliquée aux matériaux hybrides dans le cadre d’une thématique à impact stratégique important.
Développement d’un procédé d’Oxydation HydroThermale (OHT) pour la minéralisation d’effluents contenant des PFAS
Du fait de leurs propriétés physico-chimiques singulières, les PFAS mis en œuvre dans de nombreuses applications industrielles posent problème quant à leur accumulation dans les nappes phréatiques. Ce constat met en évidence un besoin de technologies de traitement novatrices visant à minimiser la teneur en PFAS dans ses effluents. Différentes méthodes (thermiques ; biologiques ; chimiques) ont été étudiées, mais elles possèdent des lacunes en termes de dépenses énergétiques ou d’effluents secondaires toxiques générés. Dans ce contexte, l’oxydation hydrothermale (OHT) est une alternative prometteuse avec des rendements de minéralisation de PFAS supérieurs à 99,9% à partir de 600°C. En effet, dans ces conditions (température supérieure à 374°C et pression supérieure à 221 bar), l’eau devient un milieu réactionnel favorable au développement de réactions de minéralisation de composés organiques.
Cependant, appliquer de telles conditions opératoires à échelle industrielle constitue un verrou technologique du fait de pertes de chaleur importantes générées et de la formation in situ d’HF pouvant causer des problématiques de corrosion. Cette thèse vise à étudier le procédé d’OHT avec un co-carburant et l’utilisation in situ d’un matériau à base de silice destiné à piéger tous les ions fluorés. La définition du régime de fonctionnement du procédé passe par une connaissance fine des bilans matière mais également des mécanismes d’oxydation des PFAS. L’élucidation mécanistique nécessitera la mise en œuvre d’un protocole analytique précis et rigoureux visant à quantifier l’ensemble des organofluorés résiduels. L’implémentation d’équilibres de phase en hautes pression/température des espèces fluorés pourra être effectuée avec les logiciels PhreeQC/Prosim Simulis. Enfin, la versatilité du procédé envers d’autres déchets organofluorés pourra être considérée.
Le/la candidat(e) évoluera au sein du Laboratoire des Procédés Supercritiques et de Décontamination en collaboration avec le Laboratoire de Mesure, Sécurisation et Environnement (LITEN/Grenoble) en interaction avec les techniciens, ingénieurs, doctorants. Il bénéficiera de l’expertise de ces laboratoires dans les procédés hydrothermaux, ainsi que dans l’analyse des composés perfluorés. Les compétences acquises durant la thèse ouvriront de nombreuses perspectives d’emploi en recherche académique/R&D industrielle dans le domaine de la chimie et de l’environnement.
Impact de la microstructure et du rapport O/M sur les propriétés thermophysiques du combustible (U,Pu)O2-x RNR
La fermeture du cycle du combustible nucléaire est essentielle au développement de systèmes d'énergie bas carbone. En France, le plutonium issu du retraitement des combustibles UOX irradiés est recyclé à travers la fabrication de combustible MOX (U,Pu)O2 et exploité dans certains réacteurs à eau pressurisée (REP). Le combustible MOX est également envisagé pour les futurs réacteurs à neutrons rapides à caloporteur sodium (RNR-Na) de génération IV, y compris certains concepts de petits réacteurs modulaires rapides (SMR). Dans ces réacteurs, le fort gradient thermique radial modifie la microstructure du combustible et entraîne une redistribution radiale de l’oxygène, et donc du rapport O/M (M = U + Pu). Le déploiement sûr de cette filière repose donc sur l’obtention de nouvelles données, jusqu’ici inaccessibles, sur les propriétés qui gouvernent le transfert de chaleur dans le MOX, notamment la conductivité thermique (lambda, W.m-1.K-1) et la capacité thermique (Cp, J.kg-1.K-1). En effet, les données disponibles restent limitées pour les MOX sous-stœchiométriques et pour les MOX irradiés. Les codes de performance du combustible (FPCs) utilisent actuellement des corrélations établies à partir de données obtenues sur UO2 ou sur des MOX dans des domaines restreints de composition et de température. Ces extrapolations sont particulièrement limitantes pour décrire les zones chaudes du MOX irradié, où le rapport O/M peut atteindre des valeurs inaccessibles par fabrication directe d’un MOX monophasique. Ce travail de thèse vise donc à étudier l’impact du rapport O/M et de la microstructure sur les propriétés thermophysiques du combustible MOX, jusqu’ici inaccessibles, entre ~500 et ~3000 K. Les mesures seront réalisées, par laser flash, sur des MOX élaborés selon les procédés RNR et COCA, afin de comparer l’impact des différentes microstructures initiales issues de ces deux voies de fabrication. Afin d’étudier et reproduire les états les plus sous-stœchiométriques observées en réacteur, une stratégie innovante d’ajustement in-situ du rapport O/M sera développée dans le dispositif CLASH. La thèse se déroulera au CEA Marcoule, où seront réalisées les caractérisations des matériaux avant et après mesures thermophysiques qui seront, quant à elles, effectuées au JRC-Karlsruhe (Allemagne) lors d’une mobilité de 12 mois. En parallèle, des calculs thermodynamiques (CALPHAD) seront réalisés afin d’interpréter les équilibres de phases à haute température, et relier ainsi les propriétés mesurées aux évolutions structurales et physico-chimiques du MOX. Ces données inédites alimenteront les FPCs afin d’évaluer plus précisément la température et la marge à la fusion du MOX.
Développement et validation de matériaux simulant les résidus de dissolution des combustibles MOx
La dissolution en milieu nitrique est une étape essentielle du recyclage des combustibles nucléaires irradiés. Dans le cas des combustibles MOx (U,Pu)O2, cette étape génère des résidus solides complexes contenant des actinides encore valorisables et des produits de fission, dont certains métaux critiques sont d’intérêt stratégique pour des technologies telles que les semi-conducteurs, le photovoltaïque ou les piles à combustible. Une seconde étape de dissolution dite oxydante est aujourd’hui étudiée afin de permettre leur récupération. Cependant, la nature et les propriétés physico-chimiques des résidus restent difficiles à étudier en raison de leur forte radioactivité et de leur faible disponibilité.
L’objectif de cette thèse sera d’établir et de valider une démarche permettant l’élaboration de matériaux simulants représentatifs des résidus issus de la dissolution de combustibles MOx.
Une première étape consistera à établir, à partir de la littérature, une cartographie des principales caractéristiques physico-chimiques des résidus réels : composition, granulométrie, nature et structure des phases présentes, et état d’oxydation des cations. Des expériences de dissolution de combustibles MOx simulés (simMOx) permettront ensuite d’obtenir des résidus caractérisables par des techniques difficilement applicables aux combustibles irradiés. Ces résultats permettront de définir les propriétés à reproduire lors de l’élaboration des matériaux simulants. Leur représentativité sera évaluée par comparaison avec les résidus réels et ceux issus des simMOx. Enfin, leur comportement lors de la dissolution oxydante sera comparé à celui des résidus réels et ceux issus de simMOx afin de valider leur pertinence comme matériaux d’étude.
À l’issue de cette thèse, le(la) candidat(e) aura acquis une solide expertise dans l’étude de systèmes complexes, la caractérisation physico-chimique de matériaux et l’analyse critique de données bibliographiques et expérimentales. Cette formation pluridisciplinaire lui ouvrira de nombreuses perspectives d’emploi en recherche académique ou en R&D industrielle, au sein comme hors du secteur nucléaire.
Etude par MET de la microstructure fine de MOX frittés
La microscopie électronique en transmission (MET) est un outil de caractérisation clé pour l’étude de la microstructure du combustible MOX (oxyde mixte d’uranium et de plutonium), quel que soit son degré d’homogénéité au niveau de la distribution spatiale du plutonium. Des résultats préliminaires ont montré qu’un MOX homogène à l’échelle de la microsonde ne l’était plus à l’échelle submicronique des grains élémentaires le constituant (Siméon et al., Journal of the European Ceramic Society 42 (2022) 7237-7246).
Un des objectifs de la thèse est de comprendre finement la genèse de la microstructure du combustible MOX, en portant une attention particulière aux hétérogénéités plutonifères pouvant se former, du fait de leur importance pour le retraitement (dissolution nitrique). Les impacts du procédé de fabrication (approche MIMAS versus approche cobroyage direct, par exemple) et des paramètres de frittage (atmosphère, température de palier isotherme, durée du palier) sur le développement de ces zones riches en plutonium se doivent d’être considérées.
Pour cela, l’étudiant devra identifier des échantillons de MOX (teneur Pu/(U+Pu) égale à 11 %mol) frittés déjà disponibles (provenant d’études antérieures) et/ou en fabriquer des spécifiques. Ces échantillons se différencieront les uns des autres par la méthode d’élaboration du milieu granulaire, en amont de la mise en forme par pressage uniaxial, et par les conditions de frittage (pression partielle en oxygène, en particulier). En plus des caractérisations standard microstructurales (taille de grains, taille de pores, localisation des pores, par microscopie électronique en balayage, distribution spatiale du plutonium, par microsonde électronique et spectroscopie Raman), la préparation de lames minces par FIB (focused ion beam) et la caractérisation par MET sera réalisée sur les échantillons jugés les plus intéressants. Une attention particulière sera portée à la localisation du plutonium (volume des grains, joints de grains, formation d’une charge d’espace) et à la composition chimique locale (teneur en plutonium, rapport O/M local) par analyse EDS/EELS. En parallèle de la caractérisation fine de la microstructure, l’étudiant devra réaliser des tests de dissolution nitrique pour tenter d’établir des corrélations entre la présence d’hétérogénéité en plutonium (taille, fraction volumique, localisation…) et la teneur en indissous.
Le travail expérimental sera réalisé à Marcoule (installation Atalante) et à Cadarache (laboratoire LECA-STAR). Il sera valorisé par des publications scientifiques dans des journaux internationaux à comités de lecture.
Compréhension fine du phénomène de dédensification pendant le frittage du mox et pendant un pseudo test de stabilité thermique
Le MOX (oxyde mixte d’uranium et de plutonium) est un combustible nucléaire civil. Il se présente sous la forme de pastilles cylindriques ayant un diamètre et une hauteur de l’ordre de 10 mm. Il est élaboré par un procédé faisant intervenir une étape de frittage à haute température sous atmosphère contrôlée.Lors du frittage des pastilles de combustible MOX, mises en forme par pressage uniaxial à partir d'un milieu granulaire élaboré en amont, il peut apparaître, sous certaines conditions, une dédensification se traduisant par un gonflement. Ce gonflement peut se poursuivre lors d'un test de stabilité thermique, sensé être représentatif de certaines conditions d'irradiations en réacteur.
Le sujet de thèse se propose donc d'identifier les mécanismes physicochimiques à l'origine de ce phénomène de dédensification et de les mettre en équation afin d'élaborer un modèle.
La thèse comporte donc une partie expérimentale qui sera réalisée à Cadarache (travail sur UO2) et à Marcoule (travail sur MOX) pour alimenter un modèle, qui lui sera mis en équations lors d'une partie théorique qui sera réalisée en collaboration avec les modélisateurs de Cadarache.
Apport des méthodes d'apprentissage pour l'inférence cosmologique avec les amas de galaxies sélectionnés par cisaillement gravitationnel
Les amas de galaxies qui se forment à l’intersection des filaments de matière, sont de très bons traceurs de la distribution de matière de l’Univers et sont une précieuse source d’information pour la Cosmologie.
La sensibilité de la mission spatiale Euclid lancée en 2023 permet une détection aveugle des amas de galaxies à partir des effets de lentille gravitationnelle faibles i.e. étroitement liés à la masse totale projetée. Ce point combiné avec la taille du relevé grand champ (14 000 deg2) devrait permettre de construire un catalogue d’amas de galaxies unique de par sa taille et ses caractéristiques de sélection. Contrairement aux catalogues d’amas de galaxies construits jusqu’à maintenant qui sont détectés par leur contenu baryonique (e.g. via le contenu en gas de l’amas en X ou via l’effet Sunyaev-Zeldovich aux longueurs d’ondes millimétriques ou encore via les emissions dans le visible des galaxies), le catalogue d’amas détectés à partir du cisaillement gravitationnel est directement lié à la masse totale des amas et de ce fait vraiment représentatif de la vraie population d’amas de galaxies ce qui est un atout pour les études sur les amas de galaxies et la cosmologie
Au sein de la mission Euclid, S. Pires coordonne les activités liées aux amas de galaxies sélectionnés par WL, et est notamment responsable de la production du catalogue d’amas détectes par WL et son exploitation. Dans ce cadre, nous avons développé une nouvelle méthode de détection multi-échelles permettant d’identifier les amas de galaxies en nous appuyant uniquement sur le cisaillement gravitationnel. Cette méthode, développée par notre équipe, a été présélectionnée pour la construction du catalogue d’amas de galaxies de la mission Euclid à partir des données de cisaillement gravitationnel.
Le projet de thèse a pour but de construire et de caractériser ce catalogue d’amas de galaxies à partir des données collectées lors de la première année d’observation de la mission Euclid (DR1) en s’appuyant sur cette méthode de detection. Le ou la candidat(e) dérivera ensuite des contraintes cosmologiques à partir de la modélisation de l’abondance des amas, en utilisant l’approche Bayésienne classique. Il/elle explorera alors l’apport des méthodes d’apprentissage de type SBI (Simulation-Based Inference) pour l’inférence cosmologique. Cette approche permettra de prendre en compte les effets de sélection complexes dans l'inférence cosmologique directement à partir des simulations, en relaxant certaines des hypothèses simplificatrices nécessaires à l’approche Bayesienne standard. La comparaison des deux approches, appliquées au même échantillon sélectionné par cisaillement gravitationnel, permettra de valider rigoureusement les contraintes cosmologiques obtenues et d’évaluer quantitativement les limites des hypothèses de modélisation.
Méthodes Bayésiennes pour la caractérisation de propriétés radioélectriques
Pour mener à bien ses missions, le CEA le Ripault réalise des caractérisations électromagnétiques
de matériaux. Différents moyens permettent de réaliser ces mesures. Récemment une thèse a
porté sur l'application de méthodes bayésiennes à la cartographie micro-onde. Cette thèse a
permis de remonter à une cartographie d'impédance. La thèse proposée portera sur deux axes :
d'une part l'application de cette méthode de cartographie à des mesures de réflectivité
réalisées sur un banc de caractérisation en champ proche au travers d'études de confrontation
calcul/mesure, d'autre part la généralisation de la méthode à une cartographie des propriétés
radioélectriques d'un revêtement.
Cette thèse consistera à définir une approche permettant de confronter la performance de la méthode à des
caractérisation de revêtements réels. Le/la candidat(e) mettra en œuvre cette approche pour démontrer la
capacité du banc et de la méthode à remonter à l'impédance d'un revêtement, ainsi qu'à
l'incertitude associée à la mesure. Parallèlement, il/elle s'attachera à étendre la méthode Bayésienne
pour remonter à une cartographie des propriétés diélectriques ou magnétiques d'un revêtement.
Etude et conception d'un LNA robuste face à une agression électromagnétique
Le CEA Gramat est le centre expert des effets des armes, notamment les armes électromagnétiques. Il réalise à ce titre des études de vulnérabilité et de susceptibilité de systèmes soumis à des agressions électromagnétiques (EM) diverses. Depuis plusieurs décennies la miniaturisation et l’intégration de l’électronique a permis de faire émerger des systèmes de radiocommunication très compacts et complexes mais également potentiellement plus vulnérables vis-à-vis d’une agression EM intentionnelle.
L’amplificateur faible bruit (LNA) constitue généralement le premier composant actif de l’étage d’entrée d’une chaîne de réception RF. C’est pourquoi il constitue l’élément dimensionnant face à une telle agression. Afin de limiter cette menace ou de s’en affranchir, une bonne connaissance des effets des agressions EM sur un LNA est essentielle et il s'agit d'identifier de potentielles architectures qui présenteraient une robustesse à ces effets.
L’objectif de la thèse est de proposer une nouvelle architecture de LNA capable de supporter différents types d'agressions EM impulsionnelles.
Le candidat devra étudier les effets d'une agression EM sur un LNA pour en connaître ses limites jusqu'à sa destruction. Une analyse de défaillance sera menée au LAAS Toulouse pour connaitre l'origine et la localisation de la zone endommagée. Il devra s'approprier l’architecture innovante de LNA « auto-adaptatif » disponible au LAAS et l'adapter pour concevoir un nouveau design de composant résilient à différents types d’agression EM. Enfin, une évaluation expérimentale des performances du LNA fabriqué par un partenaire industriel sera effectuée.
La première partie de la thèse sera consacrée à une étude bibliographique sur les LNA : principe, technologies GaAs et GaN, caractéristiques, effets d'une agression EM intentionnelle (AGREMI). On s'intéressera tout particulièrement à la dégradation permanente et non permanente de leurs performances (gain, facteur de bruit) en fonction du niveau et de la forme d'onde de l'agression EM. La seconde partie sera d'évaluer expérimentalement les seuils de dégradation jusqu'à la destruction de plusieurs types de LNA commerciaux et de laboratoire pour plusieurs types d'agressions EM typiques en mode conduit et de proposer une ou des stratégies de protection. La troisième partie sera de proposer un design original de LNA "auto-adaptatif" beaucoup plus robuste. Cette partie reposera sur la base d'une architecture innovante de LNA GaN issue de travaux antérieurs menés au LAAS. La fabrication de ces composants se fera dans le cadre d'une collaboration avec un fondeur européen. Enfin dans une dernière partie, on caractérisera, au niveau du wafer, leurs performances en régime nominal (facteur de bruit en particulier) puis au cours et après une agression EM. Les travaux de thèse se dérouleront entre le laboratoire universitaire LAAS - CNRS à Toulouse et le CEA à Gramat.