Lors de son irradiation en réacteur, le combustible peut subir d'importants gradients thermiques provoquant la migration des atomes d'oxygène (thermodiffusion). Ce phénomène, à l'origine d'une modification des propriétés chimiques de matériau, est en général mal compris au niveau microscopique dans les solides, et particulièrement dans les composés iono-covalents.

De plus, son paramètre clé, la chaleur de transport de l’oxygène Q*, donnée d’entrée du modèle de la plateforme PLEIADES de simulation du combustible [2], est très difficile à mesurer, d’autant plus qu’il peut évoluer au cours de l’irradiation du matériau en réacteur. Pour cette raison le laboratoire développe les simulations atomistiques en vue de prédire cette grandeur.

Plusieurs méthodes de calculs de Q* pour l’ion oxygène par dynamique moléculaire classique se sont révélées pertinentes [1]. En revanche cette technique n’est a priori pas adaptée au calcul de Q* pour les défauts électroniques (polarons) : des  calculs quantiques sont nécessaires en principe, mais ils demandent trop de ressources informatiques.

Le but du stage est donc de tester des méthodes de dynamique moléculaire classique adaptées au calcul approché de la chaleur de transport des électrons. L’ensemble des paramètres nécessaires sera déterminé tant par des calculs quantiques que classiques.

Ce sujet vous permettra de développer des compétences génériques en physique du solide, physique quantique physique statistique à l’équilibre ou hors équilibre et également en calculs atomistiques sur des codes polyvalents de DFT (ex. ABINIT) et de dynamique moléculaire (ex. LAMMPS) dans lequel le laboratoire dispose d’une expertise importante. Ces compétences peuvent s’appliquer à d’autres situations physiques et domaines industriels (liquides pétroliers, matériaux thermoélectriques, céramiques de piles à combustible…). 

Cette action s’insère dans le programme de développement de la plateforme (PLEIADES) de simulation multiéchelle du combustible nucléaire regroupant dans un unique environnement tous les modèles décrivant le comportement du combustible dans sa totalité (mécanique, physico-chimie, thermodynamique, neutronique). Pour alimenter cette plateforme en paramètres matériaux, le laboratoire mène une recherche amont pour déterminer ces paramètres, à partir de calculs atomistiques et de simulations à plus grande échelle. 

Cet environnement de travail riche, tant du point de vue de la physique que du génie logiciel, vous offre l’opportunité de découvrir un large panel de métiers de l’informatique et de la simulation en physique. Ce stage est également l’occasion de découvrir en quoi des outils de simulation à l’échelle microscopique peuvent contribuer à traiter des situations pratiques complexes.

 
Références :
[1] Bareigts et al. Chemical Engineering Science 281 (2023): 119141. doi.org/10.1016/j.ces.2023.119141.
[2] Konarski et al. Journal of Nuclear Materials 519:104, 2019

Vous préparez un bac+5 (M1 ou M2 ou école d’ingénieurs) en physique numérique, physique de la matière condensée / matériaux, calculs atomistiques, dynamique moléculaire.

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