Nucleaire à France

Matériaux, physique du solide

post-doctorat: Etude en ab initio de la thermodiffusion des petits polarons dans UO2 H/F

Pour mieux comprendre le comportement des matériaux nucléaires durant leur passage en réacteur, la recherche en sciences des matériaux recourt de plus en plus à la simulation numérique multiéchelle, tant au niveau de la pièce d'ingénierie (mécanique du solide...), qu'à celui du grain (champ de phases...) ou même de l'atome (atomistique). La thermodiffusion de l'oxygène dans le combustible nucléaire (UO2) est un phénomène important dont la complexité justifie une telle approche[1].

Irradié en réacteur, ce combustible peut subir d'importants gradients thermiques provoquant la thermodiffusion de l'oxygène. Ce phénomène modifie le potentiel chimique d'oxygène et affecte la corrosion de la gaine. Il est mal compris au niveau microscopique et la chaleur de transport Q*, son paramètre dans la plateforme de simulation PLEIADES[2], est difficile à mesurer et évolue en irradiation. Notre laboratoire développe donc un programme pour calculer cette grandeur par simulations atomistiques.

Le poste est basé à Cadarache, au sein du Département d'Etude des Combustibles qui offre l'opportunité d'échanges avec la plupart de spécialistes impliqués dans ce type d'étude (expérience, théorie, simulation ab initio ou DM, développeurs d'application de simulation matériaux).

Une première étape [1] a permis de calculer par Dynamique Moléculaire Classique la contribution des ions oxygène à Q*. Ces calculs classiques ignorent cependant la contribution des défauts électroniques localisés (ou petits polarons) U3+ et U5+ qui accompagnent les défauts oxygène pour assurer l’électroneutralité. Ce projet vise donc à calculer cette contribution polaronique.

Pour cela il s’agit de mobiliser d’autres techniques atomistiques car les potentiels empiriques disponibles ne permettent pas de traiter le mouvement des électrons. On s’oriente donc vers les calculs ab initio, éventuellement complétés par de la DMC. On calculera à la fois les deux paramètres nécessaires : le coefficient de diffusion D et la chaleur de transport Q* des polarons.

Le travail comportera les étapes suivantes :

- Etat de l'art :
Faire le point sur les théories quantiques de l'effet Seebeck des petits polarons et leurs implications pour les calculs atomistiques.
Recenser les techniques atomistiques disponibles pour caractériser D et Q*. On s'intéressera en particulier au domaine des matériaux thermoélectrique en plein essor.

- Calculer en ab initio la barrière de migration et le pré-facteur de diffusion pour les deux polarons dans UO2.

- Comparer aux mesures disponibles dans UO2.

- Tester les méthodes disponibles pour le calcul de la chaleur de transport, et sélectionner les méthodes les plus pertinentes. Cette partie comportera des travaux exploratoires pouvant aller jusqu'à la mise au point d'une méthode adaptée au cas des petits polarons si l'état de l'art n'est pas assez avancé.

- Détermination, à partir de grandeurs atomistiques calculées, des paramètres macroscopiques pertinents pour les simulations matériaux relevant du domaine du combustible.

- Selon les disponibilités, comparer les résultats aux mesures.

Selon les besoins, l'apprentissage des techniques de calculs ab initio des petits polarons se fera auprès des experts du site de Bruyères le Chatel.

Ces travauxvous offriront l'opportunité de présenter vos résultats en conférence et des les publier.

Vous pourrez participer à une démarche multiéchelle appliquée aux matériaux du nucléaire et de toucher du doigt la manière dont les calculs les plus fondamentaux contribuent à une simulation réaliste de l'évolution d'un matériaux en conditions extrêmes.

Références (doi.org) :
[1] Bareigts et al. 10.1016/j.ces.2023.119141
[2] Konarski et al. 10.1016/j.jnucmat.2019.03.021

Calculs atomistiques: ab initio (ABINIT, VASP) et/ou classiques (LAMMPS)

Vous avez un doctorat en sciences des matériaux ou chimie du solide, un goût et des compétences pour la théorie (physique statistique, quantique et physique du solide) et la simulation.

• Vous avez une solide compétence en calculs ab initio (DFT).
• Vous souhaitez les élargir à d'autres techniques et produire des grandeurs macroscopiques utiles aux simulations "multi-échelle".
• Vous êtes motivé par les applications de la recherche amont et souhaitez vous insérer dans un milieu riche et pluridisciplinaire(théorie, simulation, logiciel, expérimentation).

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Doctorat en Physique du solide, physique statistique, simulation atomistique

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Le Service d'Etudes et de Simulation du comportement des Combustibles (SESC) assure les missions suivantes :
- la conception et le dimensionnement des éléments combustibles et assemblages constituant le cœur des réacteurs nucléaires,
- la conception, le suivi, la réalisation d'expériences d'irradiation pour tester le comportement des combustibles sous irradiation,
- le développement, la validation et la maintenance des outils de calculs au sein de la plateforme de simulation du comportement des combustibles nucléaires PLEIADES (architecture, codes de calcul, applications et composants, méthodes numériques),
- le développement, la maintenance et le chargement de l'ensemble des bases de données concernant le comportement du combustible,
- la modélisation physique décrivant les procédés de fabrication et le comportement du combustible sous irradiation afin d'alimenter les codes de performances du combustible utilisés dans les études de comportement,
- la simulation théorique des effets d'irradiation par des études à effets séparés permettant d'améliorer les connaissances (données et modèles de base) sur le comportement du combustible sous irradiation et utilisant les données issues des grands instruments (synchrotron, accélérateurs) ou encore les calculs haute performance (GENCI, CCRT).