Soutenances autorisées pour l'ED « École Doctorale Physique, Sciences de l'Ingénieur, Matériaux, Énergie »
(ED 591 PSIME)
Liste des soutenances actuelles 73
Sulfures thermοélectriques à structure sphalérite
Doctorant·e
LE GARS Lucas
Direction de thèse
GUILMEAU Emmanuel (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
13/11/2025 à 09:30
Lieu de la soutenance
CRISMAT
Rapporteurs de la thèse
CALDES MARIA TERESA Nantes Université
PASTUREL MATHIEU UNIVERSITE RENNES 1
Membres du jurys
BARBIER TRISTAN,
,
ENSICAEN
BERNARD SAMUEL,
,
Université de Limoges
CALDES MARIA TERESA,
,
Nantes Université
GUILMEAU Emmanuel,
,
ENSICAEN
LE TONQUESSE SYLVAIN,
,
ENSICAEN
LEMOINE PIERRIC,
,
Université de Lorraine
PASTUREL MATHIEU,
,
UNIVERSITE RENNES 1
PRESTIPINO CARMELO,
,
ENSICAEN
Résumé
Les travaux présentés dans cette thèse porte surla recherche de matériaux thermoélectriques
performants, stables, peu coûteux et non toxiques. L’étude a porté sur différentes familles de sulfures de
cuivre à structures complexes, identifiés comme de bons candidats en raison de leur abondance et de leurs
propriétés électroniques favorables.
Une première partie a concerné l’optimisation de la phase Cu5Sn2S7, où des substitutions
cationiques ont permis de moduler la concentration en porteurs de charge et d’améliorer les propriétés de
transport. Un second axe a porté sur le composé Cu2ZrS3, dont la faible conductivité thermique intrinsèque
a été étudiée en lien avec la structure locale et les conditions de synthèse. Enfin, une troisième étude a porté
sur les colusites de type Cu26-xFe2+xGe6S32, afin d’évaluer l’impact du fer sur l’ordre cationique, la stabilité
structurale et les performances thermoélectriques. L’ensemble des résultats met en évidence l’importance
des relations fines entre structure cristalline, microstructure et propriétés de transport pour orienter la
conception de nouveaux matériaux.
Ces travaux ouvrent ainsi des perspectives pour le développement de sulfures complexes comme
alternatives durables aux tellurures ou séléniures dans le domaine de la conversion d’énergie
thermoélectrique.
Abstract
The work presented in this thesis focuses on the search for thermoelectric materials that are
efficient, stable, inexpensive, and non-toxic. The study investigated different families of complex copper
sulfides, identified as promising candidates due to their abundance and favorable electronic properties.
The first part concerned the optimization of the Cu5Sn2S7 phase, where cationic substitutions
allowed tuning the carrier concentration and improving the transport properties. A second axis focused on
the Cu2ZrS3 compound, whose intrinsically low lattice thermal conductivity was studied in relation to the
local structure and synthesis conditions. Finally, a third study dealt with colusites of the type Cu26
xFe2+xGe6S32, in order to evaluate the impact of iron on cationic ordering, structural stability, and
thermoelectric performance. The overall results highlight the importance of the fine relationships between
crystal structure, microstructure, and transport properties in guiding the design of new materials.
This work thus opens perspectives for the development of complex sulfides as sustainable
alternatives to tellurides and selenides in the field of thermoelectric energy
Dévelοppement d'un οutil prédictif de bruit rayοnné par les singularités dans les circuits fluides
Doctorant·e
JEGO Laurie
Direction de thèse
GUILLOU Sylvain (Directeur·trice de thèse)
BAILLY CHRISTOPHE (Co-directeur·trice de thèse)
GRONDEAU Mikael (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
13/11/2025 à 09:00
Lieu de la soutenance
Amphithéâtre ESIX - Cherbourg
Rapporteurs de la thèse
ANSELMET FABIEN Ecole Centrale de Marseille
MARIÉ SIMON Conservatoire Nal des Arts et Métiers
Membres du jurys
ANSELMET FABIEN,
,
Ecole Centrale de Marseille
BAILLY CHRISTOPHE,
,
ECOLE CENTRALE LYON
COTTÉ BENJAMIN,
,
ENSTA (Paris)
GOURDAIN NICOLAS,
,
ISAE-SUPAERO
GRONDEAU Mikael,
,
UCN - Université de Caen Normandie
GUILLOU Sylvain,
,
UCN - Université de Caen Normandie
MARIÉ SIMON,
,
Conservatoire Nal des Arts et Métiers
REGNIEZ MARGAUX,
,
Naval Group
Résumé
Dans le contexte de Discrétion Acoustique des sous-marins, les ondes acoustiques générées par une singularité dans une conduite fluide sont propagées directement dans le milieu environnant du bateau via les circuits débouchants. Constituant un risque pour la détection du sous-marin, il est primordial de connaître son niveau de bruit rayonné avant son installation à bord. La méthode de Boltzmann sur réseau (LBM), avec une surcouche LES (Large Eddy Simulation), est utilisée à ces fins. Elle est d’abord validée sur un diaphragme soumis à un écoulement en air, via l’étude des profils de vitesse et d’intensité turbulente et sur la puissance acoustique sur une section en aval du diaphragme. La validation est effectuée en comparant ces valeurs à des résultats numériques de calcul direct et de méthode hybride issus de la littérature. La méthode est ensuite appliquée à un diaphragme dans une conduite en eau, correspondant à un essai réalisé sur le banc hydroacoustique Hyacinthe de Naval Group durant la thèse. Après une analyse des résultats hydrodynamiques, une comparaison entre les données expérimentales et numériques de fluctuations de pression, relevées en plusieurs points, est effectuée. Si l’allure des courbes numériques est en accord avec les courbes expérimentales, les valeurs sont surestimées, notamment à cause de la présence d’instabilités numériques.
Abstract
In submarines acoustic discretion context, acoustic waves induced by flow passing through singularities and propagating to the vessel hull via water pipes constitute a serious risk for the submarine to be detected. Consequently, it is of prime extent to determine the radiated noise of singularities before their implementation onboard.
The Lattice Boltzmann Method (LBM) along with a Large Eddy Simulation (LES) overlay is applied for this purpose. First, the method is validated with the aeroacoustic study of a ducted diaphragm in a rectangular pipe. Velocity, turbulent intensity profiles, and acoustic power spectra are compared to numerical results of direct and hybrid methods from literature. Then, the method is applied to a diaphragm in a water pipe, corresponding to a case from an experimental campaign realised on the Naval Group hydroacoustic test rig Hyacinthe during the thesis. Hydrodynamic data are first analysed, then numerical and experimental data of pressure fluctuations are compared at several points. Even if the numerical curves shape are similar to the experimental one, pressure fluctuations are overestimated, mainly due to the numerical instabilities.
Elabοratiοn οf phase change materials in a cellulοsic matrix: spectrοscοpic and thermal characterizatiοns
Doctorant·e
ROUZAUD Djibril
Direction de thèse
TRAVERT Arnaud (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
04/11/2025 à 09:30
Lieu de la soutenance
grande salle conference, Batiment H ( CNRT), Ensicaen, 6 Bd du MAl Juin 14050 Caen cedex
Rapporteurs de la thèse
BISTAC-BROGLY SOPHIE Université de Haute-Alsace
LOURDIN DENIS INRAE BIA NANTES
Membres du jurys
BISTAC-BROGLY SOPHIE,
,
Université de Haute-Alsace
DESSE MÉLINDA,
,
Université Jean Monnet, Saint-Etienne
DUCHEMIN BENOIT,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
KOUVATAS Cassandre,
,
UCN - Université de Caen Normandie
LOURDIN DENIS,
,
INRAE BIA NANTES
TRAVERT Arnaud,
,
UCN - Université de Caen Normandie
Résumé
Dans le cadre de l’ingénierie des matériaux durables, le développement de systèmes de stockage d’énergie thermique privilégie de plus en plus l’utilisation de ressources renouvelables et biodégradables. Les matériaux à changement de phase (MCP) présentent une capacité élevée de stockage de chaleur latente et permettent un stockage et une restitution réversibles de l’énergie au cours des transitions de phase, ce qui les rend particulièrement intéressants pour la régulation thermique dans divers secteurs industriels. L’association des MCPs avec la cellulose, un biopolymère abondant, renouvelable et mécaniquement robuste permet de concevoir des composites répondant à la fois aux exigences de performance et aux critères environnementaux. Cette combinaison s’inscrit dans les objectifs mondiaux de durabilité en remplaçant les matériaux dérivés du pétrole par des alternatives biosourcées sans compromettre l’efficacité thermique.
L’objectif principal de cette thèse de doctorat est de concevoir, élaborer et caractériser de manière approfondie un composite entièrement cellulosique intégrant un MCP. Les travaux de recherche s’articulent autour de trois axes principaux : la sélection et la caractérisation thermique d’un MCP présentant des températures de transition optimales, une grande stabilité thermique et une compatibilité chimique avec la cellulose; l’étude de la dissolution de la cellulose dans l’hydroxyde de tétrabutylphosphonium (TBPH) afin de déterminer les mécanismes de dissolution et leur influence sur la microstructure et les performances du composite sur une large gamme de concentrations ; et enfin, la caractérisation thermique et structurale simultanée du composite à l’aide d’un dispositif innovant couplant en temps réel la calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et la spectroscopie infrarouge (IR), permettant de corréler les transitions thermiques et les modifications structurales à l’échelle moléculaire.
Pour atteindre ces objectifs, de la cellulose purifiée est dissoute dans une solution à 40 % massique de TBPH, couvrant des concentrations allant de solutions quasi idéales (diluées) à des régimes hautement concentrés présentant des domaines anisotropes et des fractions cristallines non dissoutes. La résonance magnétique nucléaire à gradient de champ pulsé (RMN PFG) a été appliquée à l’étude de systèmes cellulosiques hétérogènes et concentrés. Ces méthodes permettent de déterminer la concentration de recouvrement critique (c*) séparant les régimes semi-dilués des régimes concentrés, et de décrire l’organisation structurale propre à chaque état, en mettant l’accent sur les écarts par rapport aux comportements idéalisés.
Dans le troisième axe de recherche, un dispositif DSC–IR sur mesure est employé pour enregistrer simultanément les thermogrammes et les spectres infrarouges. Cette configuration permet de suivre directement les variations de composition lors des cycles thermiques et de déterminer spectroscopiquement les températures de transition de phase, confirmant et complétant les données obtenues par DSC. Cette méthodologie intégrée offre une approche novatrice pour évaluer la stabilité, l’évolution structurale et les performances thermiques des MCPs au fil de cycles de transition répétés.
En combinant la rhéologie, la RMN PFG et le couplage DSC–IR dans un cadre analytique unique, ce travail apporte de nouvelles connaissances sur le comportement des composites MCP–cellulose, établit des corrélations entre structure et propriétés thermiques, et propose une preuve de concept pour la production à grande échelle de matériaux de stockage d’énergie thermique biosourcés. Les résultats devraient contribuer à faire progresser à la fois la compréhension fondamentale et l’applicabilité pratique de composites durables destinés à la gestion thermique.
Abstract
In the framework of sustainable materials engineering, the development of thermal energy storage systems increasingly prioritizes renewable and biodegradable resources. Phase change materials (PCMs) offer high latent heat capacity and reversible energy storage through phase transitions, making them valuable for temperature regulation in various industrial sectors. Coupling PCMs with cellulose, an abundant, renewable, and mechanically robust biopolymer enables the creation of composites that meet both performance and environmental criteria. This combination addresses global sustainability goals by replacing petroleum-derived materials with bio-sourced alternatives without compromising thermal efficiency. The overarching objective of this PhD thesis is to design, process, and comprehensively characterize an all-cellulosic composite incorporating a PCM. The research is organized around three principal axes: the selection and thermal characterization of a PCM with optimal phase transition temperatures, high thermal stability, and chemical compatibility with cellulose; the investigation of cellulose dissolution in tetrabutylphosphonium hydroxide (TBPH) to elucidate dissolution mechanisms and their impact on composite microstructure and performance across a wide concentration range; and the simultaneous thermal–structural characterization of PCM–cellulose composites using a novel, directly coupled DSC–IR setup to correlate in real time the thermal transitions and molecular-level structural changes within the composite matrix.
To achieve these goals, purified cellulose is dissolved in 40 wt.% TBPH across concentrations ranging from nearly ideal (diluted) solutions to highly concentrated regimes containing anisotropic domains and undissolved crystalline fractions. Pulsed field gradient nuclear magnetic resonance (PFG NMR), was employed to determine the critical overlap concentration (c*) that separates semi-diluted from concentrated regimes and to describe the structural organization within each state, with particular emphasis on deviations from idealized solution behavior.
In the third research axis, a custom-built DSC–IR coupled instrumentation is implemented to simultaneously record thermograms and IR spectra. This configuration enables direct monitoring of compositional changes during thermal cycling and provides a spectroscopic determination of phase transition temperatures that complements and validates DSC measurements. This integrated methodology offers a novel pathway to evaluate PCM stability, structural evolution, and thermal performance over repeated phase change cycles. By combining rheology, PFG NMR and DSC–IR coupling into a single analytical framework, this work contributes new insights into the behavior of PCM–cellulose composites, establishes correlations between structure and thermal function, and provides a proof-of-concept for scalable, bio-based thermal energy storage materials. The results are expected to advance both the fundamental understanding and practical applicability of sustainable composites for thermal management applications.
Super Ηeavy Element Laser Spectrοscοpy
Doctorant·e
BRIZARD Alexandre
Direction de thèse
SAVAJOLS HERVÉ (Directeur·trice de thèse)
LECESNE NATHALIE (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
29/10/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
GANIL
Rapporteurs de la thèse
KOSZORUS AGI LEUVEN - KATHOLIEKE UNIVERSITEIT
MOORE IAIN University of Jyväkylä
Membres du jurys
EVEN JULIA,
,
GRONINGEN - UNIVERSITY OF GRONINGEN
GULMINELLI Francesca,
,
UCN - Université de Caen Normandie
KOSZORUS AGI,
,
LEUVEN - KATHOLIEKE UNIVERSITEIT
LECESNE NATHALIE,
,
14 GANIL de CAEN
MOORE IAIN,
,
University of Jyväkylä
PAPADAKIS PHILIPPOS,
,
Laboratoire de Daresbury
RAEDER SEBASTIAN,
,
GSI Darmstadt
SAVAJOLS HERVÉ,
,
14 GANIL de CAEN
Résumé
La spectroscopie par ionisation résonante (RIS) explore la structure atomique via l’ionisation laser en plusieurs étapes d’atomes neutralisés.
Réalisée dans un jet de gaz hypersonique, la précision de cette technique est améliorée grâce à la réduction de l’élargissement spectral due à
l’effet Doppler et à la pression. Au plan focal du séparateur S3 du GANIL, la ligne basse énergie de S3 (S3-LEB) réalisera une RIS dans un jet
de gaz afin d’accéder aux propriétés fondamentales des noyaux exotiques, tout en extrayant les ions du volume d’arrêt via un flux de gaz.
Cette technique hautement sélective produira des faisceaux purs pour des mesures supplémentaires, parmi lesquelles des mesures de masse
par un spectromètre de masse à temps de vol à réflexions multiples (MR-ToF-MS). Derrière le filtre de vitesse SHIP au GSI, RADRIS et JetRIS
peuvent effectuer des RIS sur des noyaux super lourds comme le nobélium. RADRIS tire parti d’une grande efficacité et d’une grande
capacité de balayage spectral pour étudier la structure électronique des éléments plus lourds, tandis que JetRIS utilise le guidage des ions et
la neutralisation par un filament pour injecter les produits de fusion dans un jet de gaz. Les photoions sont étudiés à l’aide d’un détecteur
alpha pour une détection efficace avec un faible bruit de fond. Les améliorations futures de JetRIS prévoient un MR-ToF-MS, qui permet la
détection d’ions sélectionnés en fonction de leur masse, donnant accès à des nucléides à longue durée de vie ainsi qu’à des nucléides
émetteurs bêta.
Dans cette thèse, les principes fondamentaux de la technique RIS sont présentés, ainsi que la physique nucléaire en jeu dans le domaine des
éléments super lourds. Les résultats de la spectroscopie laser sur plusieurs isotopes de l’erbium sont discutés, car ils donnent un aperçu de
la tendance des rayons de charge quadratiques moyens pour cet élément. Après une campagne hors ligne ayant conduit à des modifications
techniques de la configuration JetRIS, la structure nucléaire d’un isomère du nobélium est étudiée à l’aide de la spectroscopie laser à haute
résolution et à extraction rapide avec JetRIS. Enfin, les travaux de simulation sur l’empaqueteur d’ions pour S3-LEB et JetRIS sont présentés,
ainsi que le système d’empaquetage conçu pour le dispositif JetRIS.
Abstract
Resonance Ionization Spectroscopy (RIS) probes the atomic structure via multiple step laser ionization of neutralised atoms. Performed in a
hypersonic gas jet, the precision of this technique is improved due to reduced Doppler and pressure broadening. At the focal plane of the S3
separator in GANIL, S3-Low Energy Branch (S3-LEB) will perform in-gas-jet RIS to access fundamental properties of exotic nuclei, while
extracting the ions from the stopping volume via gas flow. This highly selective technique will produce pure beams for further
measurements, among which mass measurements by a Multi-Reflection Time-Of-Flight Mass Spectrometer (MR-ToF-MS). Behind the SHIP
velocity filter at GSI, RADRIS and JetRIS can perform in beam RIS on superheavy nuclei like nobelium. RADRIS makes benefit of a high
efficiency and large spectral scanning ability to investigate the electronic structure of heavier elements, while JetRIS uses ion guiding and
filament neutralization to inject the fusion products into a gas jet. The photoions are studied using an alpha detector for efficient detection
with low background. Future improvements at JetRIS foresee an MR-ToF-MS, which allows for mass-selected ion detection, giving access to
long-lived as well as beta-decaying nuclides.
In this thesis, the basics of the RIS technique are presented along with the nuclear physics at stake in the superheavy elements domain.
Laser spectroscopy results on several isotopes of erbium are discussed as they give an insight on the trend of mean-square charge radii for
this element. After an offline campaign leading to technical modifications to the JetRIS setup, the nuclear structure of an isomer of
nobelium is investigated using high resolution, fast extraction laser spectroscopy with JetRIS. Finally, simulation work on the RFQ cooler
buncher for both S3-LEB and JetRIS is exposed, along with the bunching system designed for the JetRIS setup.
Ecο-matériau "Τerre Crue" - Fissuratiοn par dessiccatiοn et remèdes
Doctorant·e
MASTON Olivier
Direction de thèse
TAIBI SAID (Directeur·trice de thèse)
OUAHBI TARIQ (Co-directeur·trice de thèse)
Ce travail de thèse s’inscrit dans le contexte de l’amélioration des performances des sols argileux fins soumis à des sollicitations hydriques induisant notamment de la fissuration par dessiccation. L’étude se concentre sur l’application de la précipitation de carbonate de calcium induite par voie microbienne, (dite MICP pour « Microbially Induced Calcium carbonate Precipitation ») comme méthode innovante de stabilisation biogéotechnique. Plusieurs campagnes expérimentales ont été menées sur des mélanges à base de kaolinite et de montmorillonite, selon différentes formulations, teneurs en eau et densités sèches.
L’approche expérimentale a porté sur l’évaluation des effets de la MICP sur les propriétés mécaniques, hydromécaniques et microstructurales des sols traités. L’impact du traitement sur la fissuration a également été analysé via des essais de dessiccation, révélant une réduction significative de la densité de fissuration (crack ratio), pour les traitements MICP à base d’acétate de calcium à faible concentration.
L’étude a mis en évidence que l’efficacité de la biocalcification dépend fortement des conditions initiales (teneur en eau, compacité, concentration des réactifs). Le traitement à 1,4 mol/L a généralement permis une plus grande quantité de précipitation de cristaux de carbonate de calcium et une amélioration notable des propriétés mécaniques. Par ailleurs, l’analyse microstructurale a révélé des morphologies variées de CaCO3 (calcite, vatérite), selon les conditions de traitement.
Ces résultats montrent que la MICP, notamment via l’usage d’acétate de calcium, constitue une stratégie prometteuse pour limiter la fissuration des sols argileux et en améliorer les performances géotechniques. Des perspectives sont ouvertes vers l’optimisation des conditions de traitement, l’étude de la durabilité à long terme, et l’application à des sols naturels in situ.
Abstract
This doctoral research focuses on enhancing the performance of fine clay soils subjected to hydric solicitations, which causes cracking due to desiccation. The study investigates the application of Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation (MICP) as an innovative biogeotechnical soil stabilization method. Several experimental campaigns were conducted on kaolinite–montmorillonite mixtures with varying formulations, water contents, and dry densities.
The experimental approach has aimed to assess the effects of MICP treatment on the mechanical, hydromechanical, and microstructural properties of the treated soils. The impact of treatment on the cracks’ development was also analyzed through desiccation tests, which revealed a significant reduction in crack ratio for MICP treatments using low-concentration calcium acetate solutions.
The study demonstrated that the effectiveness of biocalcification strongly depends on initial conditions such as water content, compaction, and reagent concentration. Treatment at 1.4 mol/L generally resulted in a greater quantity of calcium carbonate precipitation and a notable improvement in mechanical properties. Moreover, microstructural analysis revealed different CaCO3 morphologies (calcite, vaterite) depending on treatment conditions.
These findings suggest that MICP, particularly through the use of calcium acetate, is a promising strategy to reduce desiccation cracking in clayey soils and improve their geotechnical performance. Future work may focus on optimizing treatment conditions, evaluating long-term durability, and extending the method to natural in-situ soils.
Etude par spectrοscοpie ΙR et micrοscοpie électrοnique en transmissiοn des catalyseurs sulfures (Cο)ΜοS2 pοur la réactiοn de WGS
Doctorant·e
NOUMA Saloua
Direction de thèse
OLIVIERO Laetitia (Directeur·trice de thèse)
PORTIER Xavier (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
21/10/2025 à 09:00
Lieu de la soutenance
Salle des conférences du CNRT
Rapporteurs de la thèse
BION NICOLAS Université Poitiers
DEVERS ELODIE IFP energies nouvelles
Cette thèse explore les mécanismes réactionnels de la réaction de Water Gas Shift (WGS) sur des catalyseurs sulfures monométalliques à base de Mo ou bimétalliques Mo et Co supportés sur SiO2 et TiO2. L’objectif est de corréler la structure et la morphologie des nanofeuillets sulfures aux performances catalytiques et à la stabilité des sites actifs. L’étude a démontré que la nature du support influence directement la dispersion des sites actifs, la morphologie et l’accessibilité des sites de bord M et S, ainsi que leur sensibilité aux échanges soufre/oxygène. Sur SiO2, si l’addition d’agents chélatants permet d’augmenter la concentration en sites de bord et ainsi d’améliorer l’activité initiale, il apparait que ces sites présentent une faible stabilité sous flux réactionnel. Sur ce support SiO2, la réaction suit principalement une voie rédox via le COS sur les sites de bords S, alors que sur TiO2 elle privilégie un mécanisme associatif impliquant des formiates sur les sites de bord M. Ces sites étant sensibles au échanges S/O avec l’eau, ils nécessitent une alimentation permanente en H2S au cours de la réaction pour une meilleure stabilité. En comparaison avec le MoS2/SiO2, la particularité du système catalytique MoS2/TiO2 est la contribution du support dans le mécanisme réactionnel à travers ses groupes hydroxyles.
Abstract
This thesis investigates the reaction mechanisms of the Water Gas Shift (WGS) reaction on sulfide catalysts, both monometallic (Mo-based) and bimetallic (Mo–Co), supported on SiO2 and TiO2. The objective is to correlate the structure and morphology of sulfide nanolayers with catalytic performance and active site stability. The study demonstrated that the nature of the support directly influences the dispersion of active sites, the morphology, and the accessibility of M and S edge sites, as well as their sensitivity to sulfur/oxygen exchanges. On SiO₂, while the addition of chelating agents increases the concentration of edge sites and thus improves initial activity, these sites appear to have low stability under reaction flow conditions. On SiO2 support, the reaction mainly follows a redox pathway via COS on S-edge sites, whereas on TiO2 it proceeds through an associative mechanism involving formates on M-edge sites. Since these sites are sensitive to S/O exchanges with water, a continuous H2S feed is required during reaction to ensure greater stability. Compared to MoS2/SiO2, the distinctive feature of the MoS2/TiO2 catalytic system lies in the contribution of the support to the reaction mechanism through its hydroxyl groups.
Characterizatiοn οf Fissiοn Fragments frοm 238U+9Be in Ιnverse Κinematics Using a Τwο-Arm Cοnfiguratiοn οf the VAΜΟS++ Spectrοmeter
Doctorant·e
JANGID Indu
Direction de thèse
DUCRET JEAN-ERIC (Directeur·trice de thèse)
DORE DIANE (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
20/10/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
GANIL guesthouse, Bd Henri Becquerel, 14000 Caen, France
Rapporteurs de la thèse
LITAIZE OLIVIER CEA Cadarache - Institut de recherche
POMP STEPHAN UPPSALA UNIVERSITY
Membres du jurys
ALVAREZ-POL HECTOR,
,
Universidad de Santiago de Compostela
CHATILLON AUDREY,
,
CEA
DORE DIANE,
,
CEA Paris-Saclay
DUCRET JEAN-ERIC,
,
14 GANIL de CAEN
LITAIZE OLIVIER,
,
CEA Cadarache - Institut de recherche
POMP STEPHAN,
,
UPPSALA UNIVERSITY
RAMOS DIEGO,
,
14 GANIL de CAEN
Résumé
La fission nucléaire est un problème quantique à n corps et, de ce fait, fondamentalement complexe. Dans le phénomène de fission nucléaire, l’interaction entre la dynamique de déformation collective et les processus dissipatifs microscopiques régit la transition d’un noyau excité vers un ensemble de deux fragments ou plus, accompagnés de particules telles que des neutrons ou des photons. Les propriétés de ces fragments, ainsi que celles des neutrons émis, servent de sondes des mécanismes de la fission ainsi que des différents chemins de décroissance que peut suivre le noyau excité dans son espace des phases. Le spectromètre VAMOS++ est un spectromètre magnétique à large angle solide qui bénéficie de la cinématique inverse pour fournir une identification isotopique complète des fragments de fission. Dans notre travail, une configuration à double bras du spectromètre VAMOS++ a été utilisée, où, pour la première fois, le second bras de VAMOS++ a permis la mesure simultanée de la charge nucléaire et de la masse des fragments de fission en coïncidence. Un faisceau de 238U à une énergie de 5.88 MeV/u a été dirigé sur une cible de 9Be afin de produire différents noyaux excités via des réactions de fusion et de transfert. La reconstruction de ces noyaux est réalisée en sommant les numéros atomiques des fragments en coïncidence, identifiant ainsi trois systèmes distincts: 247Cm, 242Pu et 238,239U, chacun étudié à différentes énergies d’excitation.
Nos résultats montrent une influence marquée du moment angulaire et de l’énergie d’excitation sur les distributions des fragments de fission, un moment angulaire plus élevé favorisant une fission plus symétrique grâce à une réduction de la barrière de fission et à une suppression de l’évaporation neutronique. La présence du nombre magique de neutrons N = 82 limite fortement l’évaporation de neutrons par les fragments lourds, démontrant la persistance des effets des couches nucléaires lors de la désexcitation. Les rapports N/Z après évaporation neutronique montrent une polarisation de charge qui évolue avec l’énergie d’excitation: un motif en dents de scie apparaît à basse énergie, qui se transforme en une tendance monotone à des énergies plus élevées, conformément aux prédictions du modèle de goutte liquide. La stabilisation des fragments de fission autour de Z = 52 et Z = 56 souligne le rôle des couches nucléaires de protons à déformation octupolaire qui favorisent des modes de fission asymétriques. La comparaison avec les simulations GEF à haute énergie d’excitation montre un accord global, bien que des différences dans l’évaporation des neutrons par les fragments lourds suggèrent que des ajustements du modèle sont nécessaires.
Abstract
Nuclear fission represents a fundamentally complex quantum many-body phenomenon, where the interplay of collective deformation dynamics and dissipative processes governs the transition from a compound nucleus to two or more nascent fragments. The properties of these fragments, along with their emitted neutrons, serve as sensitive probes of the underlying potential energy landscape and the mechanisms driving the fission pathway. The VAMOS++ spectrometer is a large solid-angle, ray-tracing magnetic spectrometer that benefits from inverse kinematics to provide complete isotopic identification of the fission fragments.
In this work, a dual-arm configuration of VAMOS++ spectrometer was used, where, for the first time, the Second Arm enabled simultaneous measurement of the nuclear charge and mass of the fission fragments in coincidence. A 238U beam at an energy of 5.88 MeV/u was impinged on a 9Be target to produce different fissioning systems through fusion and transfer reactions. Reconstruction of the fissioning nuclei is achieved by summing the atomic numbers of the coincident fragments, identifying three distinct systems: 247Cm, 242Pu, and 238,239U, each studied at different excitation energies.
The results demonstrate a pronounced influence of angular momentum and excitation energy on fission fragment distributions, with higher angular momentum favoring increased symmetric fission through a reduction of the fission barrier and suppression of neutron evaporation. The presence of the neutron magic number N = 82 is found to strongly limit neutron evaporation from heavy fragments, demonstrating the persistence of nuclear shell effects during de-excitation. The post-neutron evaporation N/Z ratios show charge polarization that evolves with excitation energy: a sawtooth pattern appears at low energies, which smooths into a monotonic trend at higher energies, consistent with liquid-drop model predictions. The stabilization of fission fragments around Z = 52 and Z = 56 underscores the role of octupole-deformed proton shells in favoring asymmetric fission modes. Comparison with GEF simulations at high excitation energies shows overall agreement, though discrepancies in neutron evaporation for heavy fragments suggest model refinements are needed.
ROGER ANNE-CÉCILE Université de Strasbourg
ROYER SEBASTIEN ULCO - UNIVERSITE DU LITTORAL COTE D'OPALE
Membres du jurys
BATALHA NUNO,
,
Université Claude Bernard - Lyon 1
BATIOT-DUPEYRAT CATHERINE,
,
Université Poitiers
BAZIN Philippe,
,
UCN - Université de Caen Normandie
DEBOST MAXIME,
,
AIR LIQUIDE PARIS
PINARD LUDOVIC,
,
ENSICAEN
ROGER ANNE-CÉCILE,
,
Université de Strasbourg
ROYER SEBASTIEN,
,
ULCO - UNIVERSITE DU LITTORAL COTE D'OPALE
THOMAS Karine,
,
UCN - Université de Caen Normandie
Résumé
Les « Liquid Organic Hydrogen Carriers » (LOHC), illustrés par le couple toluène ↔ méthylcyclohexane, offrent une voie pratique de stockage d’hydrogène mais exigent des étapes d’hydrogénation efficaces sous conditions modérées. Cette thèse clarifie le rôle mécanistique du « hydrogen spillover » (transfert d’hydrogène activé des sites métalliques vers les sites acides) dans des systèmes bifonctionnels platine–zéolithe, où le platine dissocie H₂ et les sites acides de Brønsted participent aux étapes complémentaires. L’hydrogénation du toluène sert de banc d’essai pour l’activité et l’architecture catalytique, tandis que l’hydrogénation de la pyridine constitue une sonde mécanistique sensible à la coopération métal–acide. La lacune visée est de déterminer quand le spillover opère en conditions réalistes et comment la proximité, l’acidité, le réseau zéolithique et la localisation du platine pilotent vitesses et conversions.
Les familles étudiées comprennent Pt/SiO₂ et Pt/γ-Al₂O₃ (références métalliques), des zéolithes en forme H (HZSM-5 et autres réseaux), des mélanges mécaniques (faible proximité) et intimes (co-pelletisés/co-broyés) Pt/SiO₂–zéolithe, ainsi que des zéolithes protonée portant directement le platine (Pt/H-zéolites) à différents rapports Si/Al. La texture, l’accessibilité métallique et l’acidité ont été quantifiées par physisorption N₂, chimisorption CO/H₂, FTIR-CO, FTIR-pyridine et MEB. Les essais en lit fixe ont été conduits en régime de faible conversion (souvent <10 %), avec contrôle de la température, de la pression partielle d’hydrogène et de la dilution ; les essais sur pyridine ont couvert 110–200 °C et 0,6–13 kPa H₂. Les activités sont normalisées aux sites de platine accessibles mesurés par CO (nPtCO) pour établir des vitesses initiales et la fréquence de rotation (TOF).
Sur Pt/SiO₂, l’activité initiale (A₀) variait linéairement avec le nombre de sites de platine accessibles nPtCO, confirmant une référence purement métallique sans spillover. Pt/γ-Al₂O₃, dépourvu d’acidité de Brønsted, présentait le même comportement purement métallique, ce qui étaye l’interprétation selon laquelle toute promotion requiert une fonctionnalité protonique. Les mélanges mécaniques (Pt/SiO₂+zéolithe) n’ont montré aucun effet lié à la proximité : la TOF est restée inchangée pour un nPtCO donné. Les mélanges intimes ont exhibé des signatures de spillover: l’adsorption de H₂ dépassait celle de CO (nPtH₂ > nPtCO) avec des pentes qui diminuaient lorsque la force acide diminuait, et A₀ a présenté un profil en « volcan » en fonction de la charge en zéolithe avec un optimum autour de 25% massique de HZSM-5. Le réseau et la composition ont modulé les vitesses/conversions : le réseau à pores moyens MFI (ZSM-5) a surpassé les réseaux à pores plus larges lorsque l’intimité était assurée, tandis que le grand pore FAU diluait le contact métal–acide. Lors de l’hydrogénation de la pyridine, deux régimes ont été identifiés. À basse pression d’hydrogène, les vitesses étaient limitées par le spillover, avec de longues périodes d’induction dues à la lente migration de l’hydrogène vers les sites Brønsted. À plus haute pression, cette induction disparaissait et le processus devenait limité par la réaction, contrôlé par l’hydrogénation des ions pyridinium. La température suivait alors un profil en volcan, tandis que l’architecture catalytique dictait l’efficacité : les systèmes Pt–zéolite intégrés maximisaient le turnover, alors que les mélanges séparés restaient limités par le spillover.
Le spillover n’opère que pour de courtes distances platine–sites de Brønsted et un ratio métal/acidité équilibré ; une fraction zéolithe excessive ou une acidité affaiblie suppriment l’effet. La normalisation par nPtCO et le contrôle d’intimité permettent d’isoler les contributions de proximité et de structure (HZSM-5 > *HBEA > HFAU) et orientent la conception de catalyseurs LOHC plus actifs et stables sous conditions modérées.
Abstract
Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC), exemplified by the toluene ↔ methylcyclohexane couple, offer a practical route to hydrogen storage but require efficient (re)hydrogenation under mild conditions. This thesis addresses the mechanistic role of hydrogen spillover in bifunctional platinum zeolite catalysts, where metal sites activate H₂ and Brønsted acid sites enable complementary steps. Toluene hydrogenation is used to benchmark activity and isolate architectural effects, while pyridine hydrogenation serves as a mechanistic probe for metal–acid cooperation/spillover. The central gap is whether (and when) spillover occurs under realistic conditions, and how proximity, acidity, framework, and platinum location govern rates and conversions.
Catalyst families included Pt/SiO₂ and Pt/γ-Al₂O₃ (metal only references), H-form zeolites (HZSM-5 and other frameworks), their mechanical mixtures with Pt/SiO₂ (low proximity), and intimate mixtures (co-pelletized/co-crushed) that enforce nanoscale metal–acid proximity; Pt/H-zeolites with varied Si/Al were also examined. Texture/acidity and metal site metrics were quantified by N₂ physisorption, CO/H₂ chemisorption, FTIR-CO, pyridine-FTIR, and SEM. Fixed bed hydrogenations were conducted in the low conversion regime (typically <10% when applicable) with controlled temperature, hydrogen partial pressure, and dilution; pyridine tests covered 110–200 °C and 0.6–13 kPa H₂. Activities were normalized to CO-derived surface Pt sites (nPtCO) to report initial rates and turnover frequency (TOF).
On Pt/SiO₂, initial activity (A₀) scaled linearly with the number of accessible platinum sites nPtCO, confirming a purely metallic reference without spillover. Pt/γ-Al₂O₃, lacking Brønsted acidity, followed the same metal only behavior, supporting the interpretation that any promotion requires protonic functionality. Mechanical mixtures (Pt/SiO₂+zeolite) showed no proximity enabled effects: TOF remained unchanged at a given nPtCO. Intimate mixtures exhibited spillover signatures: H₂ uptake exceeded CO uptake (nPtH₂ > nPtCO) with slopes that decreased as acid strength diminished, and A₀ displayed a volcano versus zeolite loading with an optimum around 25 wt% HZSM-5. Framework and composition modulated rates/conversions: medium pore MFI (ZSM-5) outperformed broader pore frameworks when intimacy was ensured, whereas large pore FAU diluted metal–acid contact. Under pyridine hydrogenation, two regimes emerged. At low hydrogen pressure, rates were spillover-limited, with long induction times caused by slow hydrogen migration to Brønsted sites. At higher pressure, the induction vanished and the process became reaction-limited, controlled by pyridinium ion hydrogenation. Temperature then followed a volcano-type profile, while catalyst architecture dictated efficiency: embedded Pt–zeolite systems maximized turnover, whereas separated mixtures remained spillover-limited.
Hydrogen spillover operates only at short platinum–Brønsted distances with a balanced metal/acid ratio; excessive zeolite or weak acidity suppresses the effect. Normalization to nPtCO and controlled intimacy disentangle proximity from dilution, while framework topology (HZSM-5 > *HBEA > HFAU under matched acidity) tunes the accessible metal acid interface. These insights guide the design of LOHC hydrogenation catalysts delivering higher rates and sustained conversion at milder conditions.
MINTOVA SVETLANA (Directeur·trice de thèse)
DIB Eddy (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
17/10/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
Bâtiment CNRT
Rapporteurs de la thèse
DHAINAUT JÉRÉMY Université de Lille
SIMANCAS RAQUEL The Tokyo University
Membres du jurys
DATURI Marco,
,
UCN - Université de Caen Normandie
DHAINAUT JÉRÉMY,
,
Université de Lille
DIB Eddy,
,
Université d'Orléans
MINTOVA SVETLANA,
,
CNRS
PERNOT HÉLÈNE,
,
Sorbonne Université
SIMANCAS RAQUEL,
,
The Tokyo University
Résumé
: Cette thèse vise à comprendre et adapter les propriétés des matériaux poreux « zéotypes » de type aluminophosphates (AlPO) et les silicoaluminophosphates (SAPO), en utilisant des agents structurants organiques de différentes densités de charge. La synthèse de diverses structures, par exemple AlPO-5 (AFI), AlPO-18 (AEI) et AlPO-34 (CHA), a été réalisée par micro-ondes, en utilisant des agents structurants présentant différentes densités de charges. Le rôle de ces molécules dans la détermination de l'organisation à l'échelle atomique et des propriétés des matériaux, en catalyse ou en adsorption d'eau ou de gaz, est compris grâce à une multitude de techniques de caractérisation multi-échelles. Des analyses détaillées ont révélé comment la taille et la charge de l’agent structurant organique influencent significativement l'incorporation du silicium et la concentration de défauts, et par conséquent l'hydrophobicité de la structure et la distribution des sites acides, ce qui permet de contrôler des performances telles que la morphologie, la flexibilité, l'acidité, l'hydrophobicité, et la stabilité thermique. Les structures AFI (AlPO-5 et SAPO-5) ont donné lieu à une densité de défauts plus élevée lorsque des molécules chargées étaient utilisées en tant qu’agents structurants, ce qui s’est traduit par une basse hydrophobicité relativement. L'incorporation et la distribution du silicium sont également influencées par la charge de la molécule organique utilisée. L'étude menée sur la structure SAPO-34 a montré des différences significatives dans la distribution du silicium, expliquant les différences en termes de performances catalytiques dans la réaction de méthanol-à-oléfines (MTO). Différents comportements de dilatation thermique et de flexibilité de structure ont été observés pour SAPO-5 et SAPO-18 synthétisés avec la même molécule organique, suggérant une réponse structurale réversible sous contrainte thermique. Ces résultats soulignent le rôle crucial de molécules organiques dans la modulation de la topologie, de la concentration en défauts, des propriétés hydrophiles et acides des matériaux, at par conséquent leurs performances en catalyse et en adsorption. Ces travaux fournissent une base solide pour une conception rationnelle de matériaux SAPO et AlPO, ouvrant de nouvelles perspectives d'application en catalyse sélective, adsorption, et séparation de gaz.
Abstract
The aim of this work is to tailor the properties of porous ‘zeotype’ materials i.e. aluminophosphates (AlPOs) and silico-aluminophosphates (SAPOs) using organic templates with different charge densities. The syntheses of various frameworks e.g. AlPO-5 (AFI), AlPO-18 (AEI), and AlPO-34 (CHA) were achieved using microwave-assisted approach, employing different neutral and charged templates. The role of templates, in determining the atomic-scale organization and the properties of the final materials, as catalysts and water or gas sorbents, is understood by using a plethora of multi-scale characterization techniques. Detailed analyses revealed how the size and the charge of the template significantly influence silicon incorporation and defect concentration, consequently the framework hydrophilicity, and the acid sites distribution, leading to control performance features such as morphology, flexibility, acidity, hydrophobicity, and thermal stability. AFI-structured materials (AlPO-5 and SAPO-5) synthesized using charged templates exhibited a higher density of structural defects, and consequently highly hydrophilic materials were obtained. The silicon incorporation and its distribution is influenced by the template charge as well, the study conducted on SAPO-34 has shown significant differences in silicon distribution when different templates are used, explaining different catalytic behaviours in the methanol-to-olefins (MTO) reaction. Different thermal expansion and framework flexibility behaviours were observed for SAPO-5 and SAPO-18 synthesized with the same template, suggesting distinct reversible structural responses under thermal stress. These findings highlight the crucial role of templates in modulating framework topology, defect concentration, hydrophilic and acidic properties of the materials, and consequently their performances in catalysis adsorption. This work provides a solid foundation for a rational design of tuneable SAPO and AlPO materials, opening new perspectives for applications in selective catalysis, adsorption, and gas separation.
Τοwards industrial transfer οf transparent cοnducting perοvskite οxides: integratiοn οn lοw-cοst substrates and imprοvement οf lοng-term stability
Doctorant·e
MEZHOUD Moussa
Direction de thèse
LÜDERS ULRIKE (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
15/10/2025 à 09:30
Lieu de la soutenance
Laboratoire CRISMAT
Rapporteurs de la thèse
ALARIA JONATHAN University of LIVERPOOL
BESLAND MARIE-PAULE Nantes Université
Membres du jurys
ALARIA JONATHAN,
,
University of LIVERPOOL
BESLAND MARIE-PAULE,
,
Nantes Université
KOSTER GERTJAN,
,
University of Twente
LUDERS Ulrike,
,
ENSICAEN
POLEWCZYK VINCENT,
,
Université Paris Saclay
PRELLIER Wilfrid,
,
ENSICAEN
Résumé
La découverte récente de la transparence optique dans les métaux corrélés a ouvert de nouvelles perspectives pour le développement de la prochaine génération d’oxydes conducteurs transparents. Bien que des efforts considérables aient été consacrés à la compréhension des aspects fondamentaux de ces matériaux, relativement peu d’études se sont intéressées à leur transfert industriel. Cette thèse explore cette voie en prenant SrVO3 comme matériau modèle. Son dépôt sur des substrats industriels tels que le verre et le silicium a été réalisé, ouvrant ainsi la voie à différentes applications. L’influence des propriétés des substrats en verre a été étudiée, révélant que la contrainte thermique affecte de manière significative les propriétés fonctionnelles des films. Une étude exploratoire de diverses couches de germination à base d’oxydes binaires a confirmé que le TiO2 offrait de meilleures propriétés électriques du SrVO3 avec des caractéristiques de porteurs de charge proche au matériau massif. La stabilité des films a également été évaluée par vieillissement artificiel à différentes températures, ce qui a mis en évidence leur vulnérabilité aux atmosphères contenant de l’oxygène. Afin de préserver leurs propriétés, différentes couches de protection amorphes ont été testées, et celles à base d’aluminium ont été identifiées comme les plus efficaces pour protéger les propriétés fonctionnelles contre la dégradation. L’ensemble de ces résultats représente une étape importante vers le transfert industriel des oxydes pérovskites conducteurs transparents.
Abstract
The recent discovery of optical transparency in correlated metals has opened new avenues for the development of next-generation transparent conducting oxides. Although significant efforts have been dedicated to understanding the fundamental aspects of these materials, relatively few studies have addressed their industrial transfer. In this thesis, this aspect is addressed using SrVO3 as a proof of concept. Its deposition on industrial substrates such as glass and Si has been achieved, enabling different application pathways. The influence of the properties of glass substrates has been investigated, revealing that thermal strain significantly affects the functional properties of the films. An exploratory study of various binary oxide seed layers confirmed that TiO2 offered superior electrical properties of SrVO3, with charge carrier characteristics comparable to the bulk material. Film stability has also been assessed through artificial aging at different temperatures, which demonstrated their vulnerability to oxygen-containing atmospheres. To mitigate this, different amorphous capping layers were evaluated, and Al-based layers were identified as the most effective in preserving functional properties against degradation. The combination of these results represents an important step towards industrial transfer of transparent conducting perovskite oxides.
Dévelοppement de nοuveaux matériaux mοnοcristallins dοpés avec des iοns terres rares pοur l’élabοratiοn de sοurces lasers émettant dans le visible
Doctorant·e
BAILLARD Amandine
Direction de thèse
CAMY Patrice (Directeur·trice de thèse)
LOIKO PAVEL (Co-directeur·trice de thèse)
LOIKO PAVEL (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
15/10/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
Salle des thèses, bâtiment B
Rapporteurs de la thèse
BLANC WILFRIED Université côte d'Azur
MANEK-HONNINGER INKA Université de Bordeaux
L’objectif de ce travail de thèse est de développer de nouveaux matériaux inorganiques fonctionnels ‒ en particulier des monocristaux et des couches monocristallines ‒ fortement dopés avec des ions terres rares, et de démontrer leur potentiel pour l’élaboration de sources lasers compactes, puissantes et efficaces émettant directement dans le visible (orange, rouge et rouge profond). Il existe aujourd’hui une forte demande pour ce type de sources de lumière cohérente, en raison de leurs nombreuses applications dans des domaines variés tels que l’imagerie et la thérapie médicales, la microscopie à fluorescence, les technologies d’affichage ou encore le stockage optique de données. Ce travail s’articule autour des objectifs principaux suivants : i) identifier et caractériser les mécanismes physiques limitant le fonctionnement laser dans le visible à partir des ions praséodyme (Pr³⁺), terbium (Tb³⁺), europium (Eu³⁺) et samarium (Sm³⁺), tous présentant un intérêt particulier pour leur émission multicolore ; ii) évaluer le potentiel des matrices oxydes ‒ en particulier les doubles tungstates et doubles molybdates ‒ pour une émission laser visible efficace ; iii) explorer des architectures lasers en guides d’ondes prometteuses mais encore peu étudiées, pertinentes pour les dispositifs intégrés et compatibles avec la technologie des lasers à fibre. En particulier, ce travail met en lumière l’anisotropie des transitions dipolaires électriques et magnétiques des ions europium dans des cristaux stœchiométriques auto-activés. Une émission laser efficace a été réalisée dans l’orange à partir d’un guide d’ondes élaboré par inscription laser femtoseconde dans un cristal de fluorure. La première émission laser d’un cristal double tungstate dopé avec des ions samarium a également été démontrée dans le rouge, révélant un comportement auto-pulsé remarquable induit par des processus d’absorption vers état excité.
Abstract
The aim of this thesis work is to develop novel functional inorganic materials ‒ specifically, single crystals and single-crystalline layers ‒ heavily doped with rare-earth ions, and to demonstrate their suitability for compact, powerful and efficient laser sources emitting directly in the visible spectral range (orange, red and deep-red). There is currently a strong demand for such coherent light sources due to their wide range of applications, including medical imaging and therapy, fluorescence microscopy, display technologies, and optical data storage. This work addresses the following key objectives: i) identifying and characterizing the physical mechanisms limiting visible laser operation from praseodymium (Pr³⁺), terbium (Tb³⁺), europium (Eu³⁺), and samarium (Sm³⁺) ions, all of which are known for their multi-colour emission properties; ii) revealing the potential of oxide hosts ‒ particularly double tungstates and double molybdates ‒ for efficient visible laser operation; iii) investigating promising but yet underexplored guided-wave laser architectures that are relevant for on-chip devices and integration with the fiber laser technology. Notably, this work unveils the anisotropy of electric- and magnetic-dipole transitions of europium ions in stoichiometric self-activated crystals. An efficient orange waveguide laser fabricated by femtosecond direct laser writing is demonstrated in a fluoride crystal. The first laser operation of a samarium-doped double tungstate crystal has also been demonstrated in the red, revealing an intriguing self-pulsing behaviour driven by excited-state absorption processes.
Τétradymite et ses dérivées pοur des applicatiοns thermοélectriques
Doctorant·e
GALODE Amelie
Direction de thèse
GASCOIN Franck (Directeur·trice de thèse)
MAIGNAN Antoine (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
14/10/2025 à 14:30
Lieu de la soutenance
CRISMAT
Rapporteurs de la thèse
GAUTHIER RÉGIS Ecole nationale supérieure de chimie de Rennes
HUVE MARIELLE UNIVERSITE LILLE 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
Membres du jurys
BERTHEBAUD DAVID,
,
Institut des matériaux Jean Rouxel
GASCOIN Franck,
,
UCN - Université de Caen Normandie
GAUTHIER RÉGIS,
,
Ecole nationale supérieure de chimie de Rennes
HUVE MARIELLE,
,
UNIVERSITE LILLE 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
MAIGNAN Antoine,
,
ENSICAEN
PELLOQUIN Denis,
,
ENSICAEN
Résumé
Cette thèse porte sur deux axes de recherche basés sur l’optimisation du Bi2Te3 de type-n et l’exploration de nouveaux composés du système A-Bi-Se. Ce travail combine synthèse et densification, diffraction des rayons X, microscopie électronique (PEDT, STEM, HREM, EDS) et mesures de transport.
L’optimisation du Bi2Te3 se base sur l’ajout de faibles teneurs de métaux (In, Ta, Ni) dans une matrice de Bi2Te3 non-dopé. Ce qui a conduit à des résultats très prometteurs avec pour le nickel une augmentation de 50% du ZT à température ambiante par rapport au Bi2Te3 non dopé. De manière générale, un faible ajout d’un élément métallique améliore sensiblement les performances thermoélectriques du Bi2Te3 autour de la température ambiante.
L’exploration de nouveaux composés dans le système A-Bi-Se a conduit à l’étude d’une méga-série Am[M1+lSe2+l]2m[M2l+nSe2+3l+n]. Les structures cristallines de ces composés sont basées sur un arrangement de deux types de fragment Bi-Se de type NaCl conduisant à la formation de canaux remplis par les alcalins. Deux homologues ont été mis en avant, l’un étant un composé existant (K2,5Bi8,5Se14) dopé au rubidium le Rb(K,Bi)10Se14 et l’autre étant un nouvel homologue de cette méga-série n’ayant encore jamais été isolé le RbK0.5Bi7,5Se12. L’utilisation de MET a pu mettre en avant la présence unique du rubidium dans les canaux et la substitution du bismuth par le potassium, ce qui était impossible à mettre en avant par DRX.
Au total, la thèse propose une nouvelle voie d’optimisation du Bi2Te3 et des avancées cristallochimiques en termes de résolution structurale ainsi qu’un nouvel homologue de le méga-série Am[M1+lSe2+l]2m[M2l+nSe2+3l+n].
Abstract
This thesis focused on two research directions: the optimization of n-type Bi2Te3 and the exploration of new compounds within the A-Bi-Se system. The work combines synthesis and densification, X-Ray diffraction, electron microscopy (PEDT, STEM, HREM, EDS), and transport measurements.
The optimization of Bi2Te3 is based on the addition of small amount of metals (In, Ta, Ni) into an undoped Bi2Te3 matrix. This led to very promising results, particularly with nickel which produces a 50% increase in ZT at room temperature compared to undoped Bi2Te3. More generally, a slight addition of a metallic element significantly improves the thermoelectric properties of Bi2Te3 around room temperature.
The exploration of new compounds in the A-Bi-Se system led to the study of a mega-serie Am[M1+lSe2+l]2m[M2l+nSe2+3l+n]. The crystal structures of these compounds are based on an arrangement of two types of Bi-Se fragments of the NaCl-type, leading to the formation of channels filled by alkali metals. Two homologues were highlighted. One being an already known compound (K2.5Bi8.5Se14) doped by rubidium, Rb(K,Bi)10Se14. Electron microscopy revealed the unique presence of rubidium in the channels and the substitution of bismuth by potassium, which could not be demonstrated by XRD.
Overall, the thesis proposes a new pathway to optimize Bi2Te3, crystallo-chemical advances in structural resolution and a new homologue within the mega-serie Am[M1+lSe2+l]2m[M2l+nSe2+3l+n].
Study οf fissiοn with ΡΙSΤA and VAΜΟS using multi-nucleοn transfer reactiοns in inverse kinematics
Doctorant·e
BEGUE--GUILLOU Lucas
Direction de thèse
FRANKLAND JOHN (Directeur·trice de thèse)
LEMASSON ANTOINE (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
13/10/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
GANIL maison d'hôtes
Rapporteurs de la thèse
JURADO BEATRIZ Université de Bordeaux
NISHIO KATSUHISA Japan Atomic Energy Agency JAEA
Membres du jurys
ASSIE MARLÈNE,
,
Labo. de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie
DORE DIANE,
,
CEA Paris-Saclay
FRANKLAND JOHN,
,
14 GANIL de CAEN
JURADO BEATRIZ,
,
Université de Bordeaux
LEMASSON ANTOINE,
,
14 GANIL de CAEN
NISHIO KATSUHISA,
,
Japan Atomic Energy Agency JAEA
Résumé
Plus de quatre-vingt-cinq ans après sa découverte, la fission nucléaire demeure un phénomène dont la description complète reste un défi. Les progrès dans ce domaine nécessitent de nouvelles données expérimentales sur des systèmes fissionnants exotiques, inaccessibles par les réactions directes induites par neutrons, mais essentielles tant pour une compréhension approfondie du mécanisme de fission que pour ses applications en astrophysique et pour l'industrie nucléaire. L’utilisation de réactions de substitution en cinématique inverse permet à la fois l’étude de systèmes fissionnant exotiques et l’identification isotopique des fragments de fission. Toutefois, la caractérisation du système fissionnant en termes de contenu isotopique (A, Z) ainsi que la détermination précise de son énergie d’excitation sont d’une importance capitale, mais demeurent particulièrement difficiles à réaliser. Dans cette thèse, la fission a été étudiée au GANIL à l’aide d’un nouveau système de détection des noyaux partenaires de réaction type cible, PISTA (Particle Identification Silicon Telescope Array), couplé au spectromètre VAMOS. Ce travail présente l’analyse des données issues de la première expérience réalisée avec PISTA, celle-ci met en œuvre des réactions de transfert multi-nucléoniques en cinématique inverse à l’aide d’un faisceau de 238U à des énergies proches de la barrière de Coulomb, sur des cibles minces de 12C. L’analyse de cette expérience a mis en évidence une amélioration de l’identification des noyaux de type cible, permettant une caractérisation des systèmes fissionnant en termes de masse, de numéro atomique et d’énergie d’excitation, avec une résolution en énergie d'excitation améliorée d’un facteur deux par rapport au dispositif précédent. Vingt canaux de transfert ont été identifiés et étudiés, avec la détermination des sections efficaces de production et des spectres d’énergie d’excitation associés. Les probabilités de fission en fonction de l’énergie d’excitation du système fissionnant ont été mesurées, et les hauteurs de barrière de fission correspondantes ont été extraites. Les résultats ont été comparés aux données disponibles dans la littérature ainsi qu’aux prédictions du modèle TALYS. Une nouvelle approche a été proposée pour estimer la distribution du moment cinétique des systèmes fissionnant à partir des fonctions d'excitation expérimentales, offrant ainsi une manière alternative d'accéder à cette information.
Abstract
More than eighty-five years after its discovery, a complete description of the fission process remains a challenge. Progress in this field requires new experimental data on exotic fissioning systems that cannot be accessed through direct neutron-induced reactions, but are essential for advancing our understanding of the fission mechanism, as well as for applications in astrophysics and reactor modeling. The use of surrogate reactions in inverse kinematics allows both the study of exotic fissioning systems and the isotopic identification of fission fragments. However, the characterization of the fissioning system in terms of isotopic content (A, Z) and the precise determination of its excitation energy is of paramount importance, though very challenging. In this thesis, the fission process was investigated at GANIL using a newly developed target-like residue detection system, PISTA (Particle Identification Silicon Telescope Array), coupled to the VAMOS spectrometer. This thesis presents the data analysis from the first experiment with PISTA, which employed multi-nucleon transfer reactions in inverse kinematics using a 238U beam at Coulomb-barrier energies impinging on thin 12C targets. The analysis of this experiment shows enhanced identification of target-like nuclei, enabling a characterization of the fissioning systems in terms of mass, atomic number, and excitation energy, with an energy resolution improved by about a factor of two compared to the previous setup. Twenty transfer channels have been identified and analyzed, with the production of associated cross-sections and excitation-energy spectra. Fission probabilities as a function of the excitation energy of the fissioning system were measured, and the corresponding fission barrier heights were extracted. The results were compared with both literature data and model predictions obtained with TALYS. A new approach was proposed to estimate the angular-momentum distribution of fissioning systems from experimental excitation functions, providing an alternative way to access this information.
Etude d'une nοuvelle génératiοn d'οxydes transparents cοnducteurs : films minces de SrVΟ3 dépοsés par pulvérisatiοn magnétrοn réactive
Doctorant·e
ROUVILLER Axel
Direction de thèse
GOURBILLEAU Fabrice (Directeur·trice de thèse)
PORTIER Xavier (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
10/10/2025 à 09:30
Lieu de la soutenance
Salle des Thèses, Campus 2, Université de Caen
Rapporteurs de la thèse
BESLAND MARIE-PAULE Nantes Université
TERNON CÉLINE UNIVERSITE GRENOBLE 2 PIERRE MENDES FRANCE
Membres du jurys
BESLAND MARIE-PAULE,
,
Institut des matériaux Jean Rouxel
GOURBILLEAU Fabrice,
,
ENSICAEN
HEMERYCK ANNE,
,
LAAS Toulouse
LUDERS Ulrike,
,
ENSICAEN
MASENELLI BRUNO,
,
INSTITUT DES NANOTECHNOLOGIES DE LYON
PORTIER Xavier,
,
ENSICAEN
TALBOT ETIENNE,
,
URN - Université de Rouen Normandie
TERNON CÉLINE,
,
UNIVERSITE GRENOBLE 2 PIERRE MENDES FRANCE
Résumé
Les matériaux conducteurs électriquement et transparents à la lumière visible sont très demandés pour diverses applications technologiques telles que les panneaux photovoltaïques ou les diodes électroluminescentes. De nos jours, l'oxyde transparent conducteur (TCO) le plus utilisé dans le monde est l'ITO (Indium-Tin Oxide). Du fait de l'appauvrissement des ressources en indium sur Terre, il est important de trouver des alternatives à ce matériau. Parmi tous les candidats étudiés par la communauté scientifique, le SrVO3 s'est révélé être un candidat prometteur pour remplacer l'ITO, du fait de ses propriétés électriques et optiques similaires. La première partie de cette étude porte donc sur la croissance et la caractérisation de couches minces de SrVO3 déposées sur différents substrats par pulvérisation magnétron réactive (Ar + H2). Nous avons démontré qu'en optimisant les paramètres de croissance il est possible d'obtenir, sur des substrats de Si recouvert d'une couche tampon de TiO2 anatase, des films semi-conducteurs ayant des propriétés prometteuses. Le principal intérêt de cette approche est qu'elle est parfaitement compatible avec les standards de l'industrie de la microélectronique. Dans un second temps, des simulations numériques réalisées par des méthodes ab-initio de type DFT (Density Functionnal Theory) ont été effectuées pour comprendre les comportements inattendus de nos films, observés expérimentalement.
Abstract
Conductive and transparent materials are highly sought for the conception of devices such as photovoltaic pannels or light-emitting diodes. Nowadays, the most commonly used transparent conducting oxide (TCO) is ITO (Indium-Tin oxide). Considering the depletion of indium on Earth, it is important to find alternatives. Amongst all the candidates studied by the sientific community, SrVO3 has proven to be a good challenger to replace ITO, due to its similar electrical and optical properties. The first part of this study focuses on the growth and characterization of SrVO3 thin films deposited on different substrates by reactive magnetron sputtering (Ar + H2). We demonstrate, by an optimization of the growth parameters, the possibility to obtain on Si substrates covered with an anatase TiO2 buffer layer, semi-conducting films with promising TCO properties. The main interest of this approach is its perfect compatibility with microelectronic industry standards. In a second step, numerical simulations, carried out by ab-initio DFT-type methods, were performed in order to understand the unexpected behaviors of our films, observed experimentally.
Surface wave effects οn hοrizοntal axis tidal turbines behaviοur: an experimental and numerical study
Doctorant·e
DUFOUR Marc-Amaury
Direction de thèse
PINON GRÉGORY (Directeur·trice de thèse)
GERMAIN GRÉGORY (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
10/10/2025 à 08:30
Lieu de la soutenance
Amphithéatre du LOMC, 53 rue Prony, 76600 Le Havre
Rapporteurs de la thèse
CHATELLIER LUDOVIC Université Poitiers
DUCROZET GUILLAUME ECOLE CENTRALE NANTES
Membres du jurys
CHATELLIER LUDOVIC,
,
Université Poitiers
DUCROZET GUILLAUME,
,
ECOLE CENTRALE NANTES
GERMAIN GRÉGORY,
,
IFREMER - BOULOGNE-SUR-MER
MIMEAU CHLOE,
,
CNAM DE PARIS
PINON GRÉGORY,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
RIVOALEN ELIE,
,
INSA Rouen Normandie
WILLDEN RICHARD,
,
UNIVERSITY OF OXFORD
WINCKELMANS GREGOIRE,
,
UNIVERSITE CATHOLIQUE DE LOUVAIN
Résumé
Ce travail de thèse traite des effets de la houle sur le comportement hydrodynamique des hydroliennes à axe horizontal.
Les approches expérimentale et numérique sont croisées pour permettre une analyse globale.
L'approche expérimentale repose sur le traitement d'essais menés au bassin à houle et courant de l'IFREMER sur une hydrolienne à l'échelle 1/20ème.
Les résultats obtenus montrent que l'utilisation d'un nombre de courant basé sur l'amplitude des orbitales à la profondeur d'immersion de la turbine permet une mise à l'échelle des fluctuations d'efforts entre différents cas de houle.
Les mesures d'écoulement par vélocimétrie laser montrent que la houle influence aussi la dynamique du sillage de l'hydrolienne.
Le barycentre du sillage fluctue à cause des perturbations de vitesse imposées par la houle sur le rotor alors que l'extension du sillage évolue quant à elle avec le champ de vitesse local des orbitales autour du sillage.
Enfin, des raies spectrales latérales relatives à la modulation de la position des tourbillons marginaux par la houle ont également été mises en évidence dans le sillage de la turbine.
L'approche numérique repose sur un code de résolution des équations de Navier-Stokes en méthode vortex particulaire développé en interne, le code Dorothy.
Les aspects théoriques et pratiques relatifs à l'adjonction dans le code d'une représentation des pales en ligne portante et d'un modèle houle-courant potentiel d'ordre un sont présentés dans ce manuscrit.
Les résultats numériques obtenus confirment que la houle augmente significativement les fluctuations d'efforts subies la turbine fonctionnant à haute vitesse réduite.
De plus, la fusion des tourbillons marginaux en macro structures tourbillonnaires sous l'action de la houle a été mise en évidence.
Ces deux résultats confirment des observations récentes rapportées dans la littérature.
Cela donne ainsi confiance dans la capacité qu'a la méthode présentée à reproduire correctement les phénomènes physiques associés.
Il devient dorénavant possible d'étudier numériquement le comportement d'hydroliennes dans des conditions hautement instationnaires à savoir avec de la turbulence ambiante, de la houle et des interactions de sillages.
Abstract
The present PhD project unveils some aspects of the surface waves influence on tidal turbines flow and behaviour.
Both experimental and numerical approaches are undertaken.
The experimental approach relies on the analysis of trials conducted at IFREMER wave and current flume tank on a horizontal axis tidal turbine model of 1/20th scale.
Results show that a current number based on orbital velocity amplitude at turbine immersion depth provides a promising collapse of the normalised loads fluctuations for different wave cases.
Laser Doppler velocimetry measurements of the turbine wake are studied.
Phase-averaged analysis evidences that the wake barycentre fluctuations are driven by the time-varying dynamics of the rotor resulting from wave-induced inflow perturbations.
On the contrary, wake extension variations are generated by exterior waves orbital velocity field surrounding the wake.
Lastly, wave-induced sidebands around rotation frequency harmonics are found in the wake spectra.
This is understood as a modulation of the tip vortices positions by waves orbital velocity field which can be interpreted as waves travelling along slinky helical springs.
To pursue the numerical approach using the in-house Navier-Stokes vortex particle flow solver named Dorothy, some supplementary developments were performed.
Hence, the manuscript details theoretical and coding aspects of adding to the solver a lifting-line blade representation as well as a first order potential wave-current model.
The numerical results confirm the general trend of loads fluctuations drastic increase with tip speed ratio in presence of waves.
Moreover, the wake study evidences the merging of tip vortices into bigger vortical structures due to waves influence.
Those last two elements echoes findings of recent studies.
It builds a good confidence in the method capability to accurately reproduce the underlying physics.
And it opens a path towards tidal turbines computations in highly unsteady flows including ambient turbulence, waves and wake interactions.
Dοsimétrie 3D par scintillatiοn pοur le cοntrôle des petits champs d'irradiatiοn en prοtοnthérapie
Doctorant·e
DAVIAU Gautier
Direction de thèse
FRELIN Anne-Marie (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
10/10/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
GANIL, maison d'hôte
Rapporteurs de la thèse
BLIDEANU VALENTIN Université Paris Saclay
METIVIER VINCENT Ecole nationale supérieure Mines-Télécom
Membres du jurys
BLIDEANU VALENTIN,
,
Université Paris Saclay
FONTBONNE Jean-Marc,
,
CNRS
FRELIN Anne-Marie,
,
14 GANIL de CAEN
LE LOIREC CINDY,
,
CEA Cadarache - Institut de recherche
METIVIER VINCENT,
,
Ecole nationale supérieure Mines-Télécom
ROUSSEAU Marc,
,
Laboratoire de Physique corpusculaire de Caen
Résumé
En protonthérapie, le traitement des tumeurs inférieures à 3x3x3 cm3 est limité par les incertitudes du système de planification du traitement et la résolution spatiale des détecteurs de contrôle. De plus, la majorité des machines de protonthérapie utilise la technique PBS (Pencil Beam Scanning), qui consiste à délivrer le traitement par une série de faisceaux fins, appelés Pencil Beams (PBs). La délivrance de ces faisceaux est effectuée selon une séquence temporelle non-reproductible (algorithme Blind Golfer), ce qui rend le contrôle qualité faisceau-par-faisceau particulièrement complexe à mettre en œuvre.
Pour répondre à ces problématiques, un dosimètre à haute résolution spatiale et temporelle appelé SciCoPro a été développé afin de contrôler les plans de traitement. Ce dosimètre est basé sur un scintillateur plastique cubique de 10 x 10 x 10 cm3 et une caméra capable d'atteindre 1 kHz (la fréquence d'émission des faisceaux cliniques). Un miroir permet de visualiser simultanément deux vues du scintillateur. Le dispositif peut enregistrer le signal de scintillation produit par chaque faisceau délivré et reconstruire les caractéristiques des PBs (énergie, position et intensité). Un algorithme a été développé pour calculer la distribution de dose 3D à partir des acquisitions de SciCoPro. En rétro-projetant les deux vues du cube dans l'espace 3D, l'algorithme reconstruit la carte de scintillation avant de la convertir en distribution de dose, en s’appuyant notamment sur la structure radiale des PBs. Plusieurs corrections optiques, telles que le vignettage, les réflexions internes et l'atténuation du scintillateur, ont été mises en œuvre pour corriger les biais optiques.
Les performances du système ont été évaluées à l'aide d'irradiations personnalisées et de plans de traitement cliniques. Le dispositif s'est révélé capable de mesurer les caractéristiques de chaque faisceau délivré pour des intensités aussi faibles que 0,002 unités moniteur (MU) et a montré des incertitudes inférieures à 580 µm pour la position des PBs, à une intensité de 3 % et à une énergie de 180 keV. La reconstruction permet de reconstruire le dépôt de dose d’un unique PB avec une résolution de 1 mm. L’algorithme additionne alors les distributions de dose des PBs pour calculer la distribution de dose totale d’un plan de traitement. La reconstruction 3D a donné des résultats satisfaisants (gamma index > 0.90) comparés aux distributions de dose du TPS, pour des champs inférieurs à 5 x 5 x 5 cm3.
Un dosimètre à scintillation très prometteur, adapté à la stratégie de délivrance PBS, a été développé et s’est montré capable de contrôler les caractéristiques de tous les PBs d'un traitement en une seule irradiation. À moyen terme, SciCoPro constituera un outil très précieux pour vérifier les distributions de doses 3D en petits champs d’irradiation.
Abstract
In proton therapy, the treatment of tumors smaller than 3x3x3 cm3 is limited by the uncertainties of the treatment planning system and the spatial resolution of control detectors. Moreover, with the pencil beam scanning (PBS) technique, the treatment plan is structured as a sum of pencil beams (PB), each delivered in several pulses of variable intensity also called bursts (blind golfer algorithm).
To answer these issues, we developed a high spatial and temporal resolution dosimeter called SciCoPro to control treatment plans. This dosimeter is based on a cubic plastic scintillator of 10x10x10 cm3 and a fast camera capable of reaching 1 kHz (the beam delivery frequency). A mirror allows seeing two views of the scintillator. The setup can record each delivered burst and reconstruct pencil beams’ characteristics (energy, position and intensity). An algorithm was developed to calculate the dose distribution from SciCoPro’s acquisitions. By retro-projecting both views of the cube in the 3D space, the algorithm reconstructs the scintillation map before converting it into dose distribution. The algorithm can reconstruct the scintillation map thanks to the radial structure of PBs. Several optical corrections, such as vignetting, inner reflections and scintillator’s attenuation, were implemented to correct optical biases.
The system’s performances were assessed with customized irradiations and with clinical treatment plans. The setup was proved to be able to measure the characteristics of each delivered burst for intensities as low as 0.002 Monitor Units (MU) and showed uncertainties below 580 µm for the PBs position, 3 % for the intensity (in MU) and 180 keV for the energy. Reconstruction allowed the dose distribution of a single PB to be reconstructed with a spatial resolution of 1 mm. Then the dose distributions of the PBs were combined to form the total dose distribution of the treatment plan. The associated 3D-reconstruction algorithm has provided good results in agreement with TPS dose distributions. 3D reconstruction gave satisfactory results (gamma index > 0.90) for dose distributions in small irradiation fields, but showed limitations in larger fields.
We developed a very promising scintillation dosimeter adapted to PBS and blind golfer delivery strategy, able to control the characteristics of all the PBs of a treatment in a single irradiation measurement. In the medium term, SciCoPro will be a very valuable tool to verify 3D dose distributions in small field irradiations.
Electrοnic cοllisiοns : theοretical apprοaches and applicatiοns in fusiοn and space explοratiοn
Doctorant·e
HASSAINE Riyad
Direction de thèse
SCHNEIDER IOAN (Directeur·trice de thèse)
MEZEI JANOS ZSOLT (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
09/10/2025 à 14:30
Lieu de la soutenance
Laboratoire Ondes et Milieux Complexes (LOMC), 53 Rue de Prony, 76600 Le Havre
Rapporteurs de la thèse
RABILLOUD FRANCK Université Claude Bernard - Lyon 1
SISOURAT NICOLAS Sorbonne Universite
Les interactions entre électrons et ions moléculaires régissent de nombreux processus fondamentaux dans les milieux ionisés : régions de bord et diverteur des réacteurs à fusion, zones de choc lors des rentrées atmosphériques, systèmes de propulsion électrique, milieu interstellaire (ISM), atmosphères planétaires ou encore plasmas industriels. Une compréhension détaillée de ces interactions est indispensable pour modéliser avec précision la réactivité chimique et les mécanismes de transfert d’énergie dans de tels environnements. Cette thèse porte sur les collisions réactives entre électrons et cations moléculaires, en particulier la recombinaison dissociative (DR), les transitions (ro-)vibrationnelles (VT/RVT) et l’excitation dissociative (DE). Ces processus sont étudiés via l’approche étape-par-étape de la théorie du défaut quantique multivoies (SW-MQDT), qui offre un cadre robuste pour modéliser les interactions électron–molécule à plusieurs canaux d’entrée et sortie sur un large domaine énergétique. Le formalisme MQDT est couplé à des calculs de structure électronique avancés et à des calculs de diffusion électronique, permettant de caractériser les états électroniques impliqués, en particulier leurs courbes d’énergie potentielle et les couplages non adiabatiques. Plusieurs ions moléculaires diatomiques sont étudiés. Pour les plasmas de fusion, les isotopes BeH+, BeD+ et BeT+ sont analysés, et des sections efficaces état-à-état ainsi que des vitesses de réaction sont fournies pour la DR, la VT et la DE, jusqu’à de hautes énergies. Dans le cas de NeH+, nous fournissons une caractérisation complète de la structure électronique du neutre NeH : courbes d’énergie potentielle, niveaux vibrationnels et couplages non adiabatiques. Au-delà du jeu de données moléculaires, nous rapportons des sections efficaces de recombinaison dissociative à basse énergie ainsi que des vitesses de réaction anisotropes et isotropes Maxwelliennes. La section efficace totale moyenne calculée présente un bon accord avec les mesures sur anneau de stockage, et les vitesses de réaction thermiques de DR modérément élevées permettent d'expliquer la non-détection de NeH+ en milieux astrophysiques. Pour l’astrophysique et l’Univers primordial, les processus de DR et VT/RVT à basse énergie sont étudiés pour NS+, H2+ et HD+. Ce travail fournit des sections efficaces et des vitesses de réaction de haute précision pour la DR, la VT/RVT et la DE de tous les ions considérés. Ces données peuvent être intégrées aux simulations de plasmas de fusion et aux modèles cinétiques astro-chimiques, améliorant notre capacité à décrire et prédire l’évolution des environnements ionisés dans une grande variété de conditions physiques.
Abstract
The interaction between electrons and molecular ions governs a wide range of fundamental processes in ionized environments, including the edge and divertor regions of fusion plasmas, atmospheric reentry shock layers, electric propulsion systems, the Interstellar Medium (ISM), planetary atmospheres, and plasmas used in industrial applications. A detailed understanding of these interactions is essential for accurately modeling chemical reactivity and energy transfer mechanisms in such environments. This thesis focuses on reactive collisions between electrons and molecular cations, with particular attention to Dissociative Recombination (DR), (Ro)-Vibrational Transitions (VT/RVT), and Dissociative Excitation (DE). These processes are treated using the stepwise-Multichannel Quantum Defect Theory (SW-MQDT), which provides a robust framework for modeling multichannel electron–molecule interactions across a wide range of energies. The MQDT formalism is combined with high-level electronic structure and electron scattering calculations to derive the necessary input data concerning the electronic states involved, namely their potential energy curves and couplings between them. Several diatomic molecular ions are investigated, selected for their relevance in fusion and astrophysical environments. For fusion edge plasmas, the isotopologues BeH+, BeD+, and BeT+ are studied, and state-to-state cross sections and thermal rate coefficients are provided for DR, VT, and DE up to high energies. In the case of NeH+, we provide a full electronic-structure characterization of neutral NeH including potential energy curves, vibrational levels, and non-adiabatic couplings, laying the foundation for current MQDT-based scattering calculations.. Beyond this electronic-structure dataset, we report low-energy DR cross sections and both anisotropic (merged-beam) and isotropic Maxwell rate coefficients. An average total cross section shows good agreement with storage-ring measurements, and the moderately high thermal DR rates help explain the non-detection of NeH+ in astrophysical environments. For the interstellar medium and the early Universe, low-energy DR and VT/RVT processes involving NS+ and H2+, HD+ respectively are analyzed in detail. The results of this work provide high-accuracy cross sections and rate coefficients for DR, VT/RVT and DE of all the invoked ions. These data can be implemented in fusion plasma simulations and astrochemical kinetic models, improving our ability to describe and predict the evolution of ionized environments under diverse physical conditions.
Etude de nοuvelles phases supracοnductrices en deux dimensiοns - SUΡ2D
Doctorant·e
MISIAK Alex
Direction de thèse
DAVID Adrian (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
08/10/2025 à 14:30
Lieu de la soutenance
ENSICAEN Bâtiment G Grande salle de réunion
Rapporteurs de la thèse
DESFEUX Rachel Université d'Artois
MENTRE OLIVIER UNIVERSITE LILLE 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
Membres du jurys
DAVID Adrian,
,
UCN - Université de Caen Normandie
DESFEUX Rachel,
,
Université d'Artois
GUILLOUX-VIRY MARYLINE,
,
UNIVERSITE RENNES 1
MENTRE OLIVIER,
,
UNIVERSITE LILLE 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
PAUTRAT Alain,
,
ENSICAEN
PRELLIER Wilfrid,
,
ENSICAEN
Résumé
Les nickelates de terres rares à structure pérovskite présentent une large variété de comportements électroniques et structuraux liés aux corrélations électroniques, nous nous sommes interessés en particulier Nd1-xSrxNiO₃ et Pr1-xSrxNiO₃. Dans ce travail, nous avons étudié des films minces de ces composés, dopés ou non au strontium (x = 0 ou x= 0.2), déposés par ablation laser pulsée. L’objectif a été d’analyser l’effet du dopage sur les propriétés électroniques et d’étudier l’influence de la réduction en phase infinie (Nd1-xSrxNiO2 et Pr1-xSrxNiO2).
Les échantillons ont été caractérisés par différentes techniques : mesures de transport électronique (résistivité, effet Hall), analyses structurales (XRD, TEM), composition chimique (XRF, SIMS) et par des caractérisations de surface (AFM, KPFM). Ces résultats mettent en évidence les difficultés induites par les processus de réduction, en particulier avec l’apparition de défauts et d’inhomogénéités jouant un rôle clé sur les structures les propriétés électroniques
Abstract
Rare-earth nickelates with perovskite structure exhibit a wide range of electronic and structural behaviors due to strong electronic correlations. In this work, we focused on Nd₁₋ₓSrₓNiO₃ and Pr₁₋ₓSrₓNiO₃. Thin films of these compounds, doped or not with strontium (x = 0 or x = 0.2), were grown by pulsed laser deposition. The aim was to analyze the effect of doping on the electronic properties and to study the influence of reduction to the infinite-layer phase (Nd₁₋ₓSrₓNiO₂ and Pr₁₋ₓSrₓNiO₂).
The samples were characterized using various techniques: electronic transport measurements (resistivity, Hall effect), structural analyses (XRD, TEM), chemical composition (XRF, SIMS), and surface characterization (AFM, KPFM). The results highlight the challenges associated with the reduction processes, particularly the formation of defects and inhomogeneities, which play a key role in the structural and electronic properties of the thin films.
Ecο-design, mοrphοlοgy cοntrοl and interzeοlite cοnversiοn: synthesis strategies fοr advanced ΖSΜ-5 catalysts and evaluatiοn in mοdel reactiοns
Doctorant·e
LONGUE Camille
Direction de thèse
PINARD LUDOVIC (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
03/10/2025 à 09:00
Lieu de la soutenance
LCS, Université de Caen
Rapporteurs de la thèse
OLSBYE UNNI UNIVERSITE D'OSLO
PAILLAUD JEAN-LOUIS IS2M - Institut de Sciences des Matériaux de Mulhouse
Membres du jurys
CLET Guillaume,
,
UCN - Université de Caen Normandie
LOUIS BENOIT,
,
Université de Strasbourg
MAURY SYLVIE,
,
IFP Energies Nouvelles
MINOUX DELPHINE,
,
Total Petrochemicals Research Feluy
OLSBYE UNNI,
,
UNIVERSITE D'OSLO
PAILLAUD JEAN-LOUIS,
,
IS2M - Institut de Sciences des Matériaux de Mulhouse
PINARD LUDOVIC,
,
ENSICAEN
Résumé
Les zéolithes, et en particulier la ZSM-5, sont des catalyseurs de référence dans les procédés de raffinage, les procédés pétrochimiques et dans les voies émergentes liées à la transition énergétique. Leur équilibre entre structure microporeuse, sélectivité de forme et acidité explique leur large champ d’applications, mais la désactivation induite par le coke demeure une limitation majeure. Cette thèse s’attaque à ce défi en explorant la conception et l’évaluation catalytique de matériaux ZSM-5 avancés selon trois stratégies : l’incorporation de biomasse lors de la synthèse, le contrôle de la morphologie et de l’épaisseur des cristaux, et la conversion inter-zéolithe pour former des composites hiérarchiques. Leur comportement catalytique a été évalué de manière systématique dans trois réactions modèles, à savoir le craquage du n-hexane, la réaction méthanol en oléfines (MTO) et l’aromatisation du méthane (MDA), utilisées comme sondes de l’acidité, de la diffusion et de la coopération métal acide. Les synthèses assistées par la biomasse, utilisant de la lignine ou des mélanges lignine bagasse, ont conduit à des cristaux plus petits, présentant moins de défauts, et ont favorisé l’incorporation de l’aluminium sous forme de sites acides de Brønsted (BAS). Ces modifications ont amélioré la diffusion, la stabilité et les performances. Le rapport Si/Al s’est révélé déterminant. En craquage du n-hexane, les systèmes riches en aluminium ont montré une acidité plus forte et une activité plus élevée, tandis que les systèmes pauvres en aluminium ont présenté un comportement plus classique, proche de celui des catalyseurs de référence. En MTO, les matériaux riches en aluminium ont favorisé le cycle aromatique menant à l’éthène, alors que les échantillons pauvres en aluminium ont privilégié le cycle alcène, améliorant la sélectivité en propène et la durée de vie du catalyseur. En MDA, les systèmes riches en aluminium ont généré des paires de sites Al stabilisant les espèces de Mo, ce qui a renforcé les performances. Les zéolithes « slim » à cristaux submicroniques ont confirmé le rôle de la morphologie et de la densité de défauts. En craquage du n-hexane, les EFAl ont provoqué une activité exacerbée. En MTO, une meilleure accessibilité a favorisé le cycle aromatique et la sélectivité en éthène. En MDA, une forte acidité combinée à une accessibilité accrue a permis une plus grande proximité entre BAS et espèces de Mo, améliorant leur ancrage et leur stabilisation. Le composite Y/ZSM-5 obtenu par conversion inter-zéolithe quasi-in situ a présenté une mésoporosité homogène et une connectivité améliorée. En craquage du n-hexane, il a montré une activité similaire à celle d’un mélange mécanique Y+ZSM-5 tout en offrant une diffusion supérieure. En MTO, la connectivité accrue a facilité le transport et l’accès aux BAS, conduisant à un comportement proche de celui d’un mélange. Les travaux futurs devraient porter sur l’adaptation de la porosité et de la morphologie, l’optimisation des synthèses assistées par biomasse et le contrôle de la localisation de l’aluminium. Par ailleurs, l’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique représentent des outils prometteurs pour la conception prédictive et durable de catalyseurs zéolithiques.
Abstract
Zeolites, and particularly ZSM-5, are benchmark catalysts in refining, petrochemical processes, and emerging routes related to the energy transition. Their balance of microporous structure, shape selectivity, and acidity explains their wide applicability, yet coke-induced deactivation remains a major limitation. This thesis addresses this challenge by investigating the design and catalytic evaluation of advanced ZSM-5 through three strategies: incorporation of biomass during synthesis, control of crystal morphology and thickness, and interzeolite conversion to form hierarchical composites. Catalytic behaviour was systematically assessed in three model reactions, n-hexane cracking, methanol-to-olefins (MTO), and methane dehydroaromatization (MDA), used as probes of acidity, diffusion, and metal–acid cooperation. Biomass-assisted syntheses using lignin or lignin–bagasse mixtures produced smaller crystals with fewer defects and favoured aluminium incorporation as BAS. These modifications enhanced diffusion, stability, and performance. The Si/Al ratio was decisive. In n-hexane cracking, Al-rich systems showed stronger acidity and higher activity, while Al-poor systems exhibited more classical behaviour, close to benchmark catalysts. In MTO, Al-rich materials promoted the aromatic-based cycle leading to ethene, whereas Al-poor samples favoured the alkene-based cycle, improving propene selectivity and catalyst lifetime. In MDA, Al-rich systems generated paired Al sites that stabilised Mo species, enhancing performance. Slim zeolites with submicron crystals confirmed the role of morphology and defect density. In n-hexane cracking, EFAl caused exacerbated activity. In MTO, better accessibility favoured the aromatic-based cycle and ethene selectivity. In MDA, high acidity with enhanced accessibility ensured closer proximity between BAS and Mo species, improving anchoring and stabilisation. The Y/ZSM-5 composite obtained by quasi-in situ interzeolite conversion exhibited homogeneous mesoporosity and improved connectivity. In n-hexane cracking, it showed activity similar to a mechanical Y–ZSM-5 mixture while offering superior diffusion. In MTO, enhanced connectivity facilitated transport and access to BAS, yielding behaviour close to a mixture. Future work should focus on tailoring porosity and morphology, refining biomass-assisted syntheses, and controlling aluminium siting, while artificial intelligence and machine learning represent promising tools for predictive, sustainable design of zeolite catalysts.
Μicrοstructural evοlutiοn οf all-cellulοse cοmpοsites during a manufacturing prοcess fοr phase change material encapsulatiοn
Doctorant·e
QUILLIARD Soline
Direction de thèse
DUCHEMIN BENOIT (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
02/10/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
Université Le Havre Normandie
Rapporteurs de la thèse
BUDTOVA TATIANA Centre de mise en forme des matériaux UMR CNRS 7635
CAPRON ISABELLE INRAE NANTES
Membres du jurys
BUDTOVA TATIANA,
,
Centre de mise en forme des matériaux UMR CNRS 7635
CAPRON ISABELLE,
,
INRAE NANTES
DUCHEMIN BENOIT,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
DUPONT ANNE-LAURENCE,
,
Museum Histoire Naturelle
KOUVATAS CASSANDRE,
,
UCN - Université de Caen Normandie
NISHIYAMA YOSHIHARU,
,
UNIVERSITE GRENOBLE 1 JOSEPH FOURIER
PRIGENT ARNAUD,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
TRAVERT Arnaud,
,
UCN - Université de Caen Normandie
Résumé
Dans ces travaux, un nouveau composite tout-cellulose/MCP est présenté avec son procédé de préparation, où l’hétérogénéité des solutions de cellulose a été utilisé pour
encapsuler le MCP avec succès. Le matériau a été caractérisé à chaque étape du procédé par de nombreuses techniques pour suivre l’évolution des propriétés de sa microstructure. Les propriétés des solutions de cellulose dans l’hydroxyde de tetrabutylphosphonium, un liquide ionique facilement lavable et recyclable, ont été étudiées par POM, rhéologie et SAXS, du régime dilué au régime concentré. Ensuite, le transfert de leurs propriétés durant la gélification a été caractérisé par WAXS, SAXS, AFM en milieu liquide et microtomographie sur les hydrogels fabriqués à partir de ces solutions. LA formulation du matériau final a été explorée pour des charges en MCP organique entre 25 %m et 75 %m, avec différents degrés de polymérisation de la cellulose. L’influence de la composition des solutions de cellulose sur l’encapsulation du MCP par emulsification a été observée par POM. Pour finir, les propriétés microstructurales des composites tout-cellulose/MCP ont été caractérisés par WAXS et microscopie hyperspectrale.
Abstract
In this work, a new all-cellulose/PCM composite and its process are presented, where the heterogeneity of the cellulose solutions was taken advantage of to successfully
microencapsulate the PCM. Each step of the process was extensively characterized by multiple techniques to follow the evolution of the properties and the microstructure. The properties of cellulose solutions in tetrabutylphosphonium hydroxide, an easily washable and recyclable IL, were studied by POM, rheology and SAXS from dilute to concentrated regimes. Then, the transfer of their properties during the gelation process was characterized by WAXS, SAXS, liquid AFM and μCT on the hydrogels made from them. The formulation of the end material has been investigated for loads of an organic PCM between 25 wt.% and 75 wt.%, with various polymerization degrees and concentrations of cellulose. The influence of the composition of the cellulose solution in the encapsulation of the PCM by emulsification has been monitored by
POM. To finish, the microstructural properties of the all-cellulose/PCM composites have been characterised by WAXS and hyperspectral microscopy.
Sοurces et mοbilité des sables
Doctorant·e
FRIGOLA Clement
Direction de thèse
MEAR YANN (Directeur·trice de thèse)
MURAT ANNE (Co-directeur·trice de thèse)
GREGOIRE GWENDOLINE (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
26/09/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
Intechmer
Rapporteurs de la thèse
BALTZER-ROUSSET Agnes Nantes Université
SCHMIDT SABINE Université de Bordeaux
Membres du jurys
BALTZER-ROUSSET Agnes,
,
Nantes Université
COSTA STEPHANE,
,
UCN - Université de Caen Normandie
GREGOIRE GWENDOLINE,
,
CNAM Intechmer - LUSAC
LEROY PASCAL,
,
Universite Bret. Occidentale Ubo
MURAT ANNE,
,
CNAM Intechmer - LUSAC
ROBIN NICOLAS,
,
UNIVERSITE PERPIGNAN VIA DOMITIA
SCHMIDT SABINE,
,
Université de Bordeaux
TRENTESAUX ALAIN,
,
Universite de Lille
Résumé
La Manche constitue un cadre idéal pour l'étude des dynamiques sédimentaires côtières. Ses littoraux,
qui se caractérisent par une composition sédimentaire mixte et des conditions hydrodynamiques
particulièrement actives, sont le théâtre d'un équilibre fragile entre érosion et dépôt. Comprendre les
processus qui régissent cette dynamique est essentiel pour anticiper l’évolution des milieux côtiers
exposés.
Si certaines méthodes statistiques classiques, comme les approches STA (basées sur des paramètres
granulométriques), permettent d'interpréter le transport sédimentaire, elles ont pour limite leur
simplification excessive des particules, qui ne tiennent compte que de leur taille. Les méthodes
innovantes développées dans cette thèse (ELSA, COVA, Stock et PASTA) dépassent ces limites en
intégrant la composition élémentaire géochimique des grains et leur contribution massique au sein des
sédiments. La variabilité du rapport Sr/Ca est utilisée pour discriminer les différentes sources
carbonatées locales.
Ces approches combinées permettent d'identifier les sources sédimentaires et de mieux comprendre la
dynamique propre à chaque type de grain en lien avec les conditions de houle et de marée.
Trois sites représentatifs de la diversité des côtes normandes ont été analysés dans la Manche pour
appliquer cette méthodologie : l'anse du Cul-de-Loup à Saint-Vaast-la-Hougue (zone intertidale), le
secteur situé au large de Saint-Valery-en-Caux (zone subtidale) et le passage de la Déroute, au large du
Cotentin occidental (zone subtidale). Ces études de cas illustrent la robustesse de l'approche et
permettent de renouveler la lecture de la mobilité et de l'organisation des stocks sédimentaires dans un
contexte fortement contraint par la dynamique hydrodynamique de la houle et de la marée.
Abstract
The English Channel provides an ideal setting for studying coastal sediment dynamics. Its shorelines,
characterized by a mixed sediment composition and highly active hydrodynamic conditions, reflect a
fragile balance between erosion and deposition. Understanding the processes governing this dynamic is
essential for anticipating the evolution of exposed coastal environments.
While certain classical statistical methods such as STA approaches based on granulometric parameters
allow for the interpretation of sediment transport, they are limited by their excessive simplification of
particles, taking into account only size. The innovative methods developed in this thesis ELSA COVA
Stock and PASTA go beyond these limitations by incorporating the geochemical elemental composition
of particles and their mass contribution within the sediments. The variability of the Sr/Ca ratio is used
here to discriminate between local carbonate sources.These combined approaches make it possible to
identify sediment sources and better understand the specific dynamics of each type of grain in relation
to wave and tidal conditions.
Three representative sites along the diverse Normandy coastline were analyzed in the English Channel
to apply this methodology: the Anse du Cul de Loup in Saint Vaast la Hougue intertidal zone, the rocky
platform offshore of Saint-Valery-en-Caux subtidal zone, and the Passage de la Deroute off the western
Cotentin subtidal zone. These case studies illustrate the robustness of the approach and provide a
renewed interpretation of the mobility and organization of sediment stocks in a context strongly
constrained by wave and tidal hydrodynamics.
Μicrοpοrοus Μaterials fοr Atmοspheric Water Ηarvesting
Doctorant·e
ZHAO Haonuan
Direction de thèse
VALTCHEV Valentin (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
25/09/2025 à 14:30
Lieu de la soutenance
salle de réunion conference 232, 2 éme étage, Bâtiment CNRT
Rapporteurs de la thèse
MIQUEU CHRISTELLE Université de Pau et des Pays de l'Adour
NESTERENKO NIKOLAY Sulzer
Membres du jurys
GUILLET-NICOLAS Remy,
,
ENSICAEN
MINEVA TZONKA,
,
Ecole nationale supérieure de chimie de Montpellier
MIQUEU CHRISTELLE,
,
Université de Pau et des Pays de l'Adour
NESTERENKO NIKOLAY,
,
Sulzer
VALTCHEV Valentin,
,
CNRS
Résumé
La pénurie d'eau douce s'intensifie en raison du changement climatique et de la croissance démographique mondiale. Cette thèse se concentre sur le développement d'une technologie de collecte d'eau atmosphérique (AWH) économe en énergie pour contribuer à relever ce défi. À travers une évaluation approfondie de zéolithes, de matériaux zéolitiques et de matériaux organométalliques (MOFs), l'AlPO-18 a été identifié comme un adsorbant prometteur. Il présente une excellente capacité d'adsorption d'eau sur une large gamme d'humidité et sa régénération consomme une faible quantité d’énergie, comparable à celle des MOFs, tout en offrant une stabilité hydrothermale supérieure.
Afin d'optimiser davantage son application future, la méthode de synthèse de l'AlPO-18 a été soigneusement optimisée en termes de rendement, de coût, d'efficacité énergétique et d'impact environnemental. La montée en échelle à l’aide d’équipements adaptés a permis de valider la transposabilité de la synthèse de l’échelle laboratoire à l’échelle pilote. Sur cette base, des recherches supplémentaires ont été menées sur la mise en forme de l’adsorbant, ainsi que des évaluations complètes des propriétés d’adsorption de l’eau atmosphérique, établissant ainsi une base solide pour un déploiement industriel futur.
Cette thèse introduit également une innovation majeure : l’incorporation de nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNTs) dans le composite, permettant une régénération électrothermique rapide in situ. Le composite ainsi mis en forme est resté stable sur plus de 10 000 cycles et s’est révélé applicable à d’autres matériaux poreux présentant des structures chimiques variées.
En résumé, cette thèse fait progresser la technologie de collecte d’eau atmosphérique économe en énergie par l’emploi d’aluminophosphates comme adsorbants et l’innovation en matière de régénération. Les aluminophosphates et la régénération électrothermique assistée par MWCNTs sont non seulement prometteurs pour l’AWH, mais pourraient également l’être dans d’autres domaines tels que la catalyse, la capture du carbone et la séparation des gaz.
Abstract
Fresh water scarcity is intensifying due to climate change and global population growth. This thesis focuses on developing an energy-efficient atmospheric water harvesting (AWH) technology to help address this challenge. Through a comprehensive evaluation of zeolites, zeolitic materials, and metal-organic frameworks (MOFs), AlPO-18 was identified as a highly promising adsorbent. It demonstrates exceptional water uptake across a wide humidity range and exhibits low regeneration energy consumption, comparable to MOFs, while offering superior hydrothermal stability.
To further advance its practical application, the synthesis recipe of AlPO-18 was carefully optimized regarding the yield, cost, energy efficiency, and environmental impact. Scaled-up syntheses was then conducted using pilot-scale equipment to validate the updated recipe at the lab-scale. Building on this, further investigations were carried out on powder shaping and comprehensive assessments of AWH properties, thereby establishing a solid foundation for future industrial deployment.
Following material scaling and shaping, this thesis also introduces a key innovation: incorporating multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) into the composite for rapid in-situ electrothermal regeneration. This method enables fast temperature changes (1.5 – 2.5 °C/s) without any performance sacrifice. The shaped composite remained stable over 10,000 cycles and proved applicable to other porous materials with diverse chemical frameworks.
In summary, this thesis advances energy-efficient AWH technology through adsorbent selection and regeneration innovation. The introduction of aluminophosphate materials and MWCNT-assisted electrothermal regeneration not only supports innovation in AWH, but also offers large possibilities for other fields such as catalysis, carbon capture, and gas separation.
Cinétique des interactiοns silice-silane-adjuvants par cοuplage de caractérisatiοns expérimentales et de mοdélisatiοns multivariées
Doctorant·e
DEBS Jean-Pierre
Direction de thèse
TRAVERT Arnaud (Directeur·trice de thèse)
THIBAULT STARZYK Frederic (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
23/09/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
ENSICAEN, Salle de Conférence du Bat. H, Campus 2 (réservée)
Rapporteurs de la thèse
BLUME ANKE University of Twente
COSTENTIN GUYLÈNE Sorbonne Université
Membres du jurys
BLUME ANKE,
,
University of Twente
BRIOIS VALÉRIE,
,
Synchrotron SOLEIL
COSTENTIN GUYLÈNE,
,
Sorbonne Université
GHESQUIÈRE PIERRE,
,
Manufacture France Michelin
MAUGE Francoise,
,
UCN - Université de Caen Normandie
THIBAULT STARZYK Frederic,
,
ENSICAEN
TRAVERT Arnaud,
,
UCN - Université de Caen Normandie
Résumé
La transition du noir de carbone vers la silice dans les formulations de bandes de roulement des pneus a permis des améliorations significatives en matière de résistance au roulement et d’efficacité énergétique. Toutefois, elle a également introduit des défis liés à la compatibilité entre la charge et la matrice polymère, nécessitant souvent la fonctionnalisation de la surface de la silice à l’aide d’agents de couplage ou de polymères fonctionnalisés. Cette thèse étudie la chimie d’interface des systèmes silice–silane, en mettant particulièrement l’accent sur le rôle catalytique de la diphénylguanidine (DPG) dans l’amélioration du greffage des silanes sur la surface de la silice. En combinant la spectroscopie infrarouge opérando et une modélisation chimiométrique avancée, ce travail propose une analyse cinétique et mécanistique détaillée des réactions de greffage impliquant à la fois un silane modèle (OcSiMe₂OH) et un agent de couplage d’intérêt industriel (TESPT).
La première partie de l’étude est consacrée à la caractérisation de surface de plusieurs silices précipitées commerciales. Une méthode spectroscopique innovante est développée pour quantifier la spéciation des silanols (isolés, associés, internes) ainsi que leur accessibilité, révélant que la réactivité de surface dépend non seulement de la densité totale de silanols, mais aussi de leur nature et de leur distribution. La deuxième partie s’intéresse au comportement de couplage du diméthyloctylsilanol, utilisé comme modèle de SBR fonctionnalisé par des groupements silanols. La présence de DPG améliore significativement l’efficacité de greffage tout en limitant la désorption, un effet attribué à son action catalytique. La dernière partie étend l’analyse au TESPT, sous différentes conditions thermiques et chimiques. Les résultats confirment l’effet promoteur de DPG et mettent en évidence l’interaction complexe entre les caractéristiques de surface des silices, le profil de chauffage et la couverture en silane.
Dans l’ensemble, cette thèse propose une méthodologie complète permettant d’étudier les réactions de surface de la silice in-situ et en opérando. Elle fournit à la fois une compréhension mécanistique et des outils de modélisation pour soutenir la conception d’interfaces silice–silane optimisées et plus durables, adaptées aux applications pneumatiques.
Abstract
The transition from carbon black to silica in tire tread formulations has led to significant improvements in rolling resistance and fuel efficiency. However, it has also introduced challenges related to filler–polymer compatibility, often necessitating the functionalization of the silica surface using coupling agents or functionalized polymers. This thesis explores the interfacial chemistry of silica–silane systems, with particular emphasis on the catalytic role of diphenylguanidine (DPG) in enhancing the grafting of silanes onto silica surfaces. Through the combined use of operando infrared spectroscopy and advanced chemometric modeling, this work offers a detailed kinetic and mechanistic investigation of grafting reactions involving both a model silane (OcSiMe₂OH) and an industrially relevant coupling agent (TESPT).
The first part of the study focuses on the surface characterization of several commercial precipitated silicas. A novel spectroscopic method is developed to quantify silanol speciation (isolated, associated, internal) and accessibility, revealing that surface reactivity is governed not only by total silanol density but also by the type and distribution of silanol groups. The second part explores the coupling behavior of dimethyloctylsilanol, a model for silanol-functionalized SBRs. The presence of DPG significantly enhances grafting efficiency while suppressing desorption, an effect attributed to DPG’s catalytic role. The final section extends the investigation to TESPT under varying thermal and chemical conditions. The findings confirm the promoting effect of DPG and highlight the complex interplay between surface characteristics, heating ramps, and silane coverage.
Altogether, the thesis presents a comprehensive methodology to probe silica surface reactions in-situ and in operando. It provides both mechanistic insight and modeling tools to support the design of optimized, more sustainable silica–silane interfaces for tire applications.
Οptimisatiοn glοbale et générique de la gestiοn de l'énergie dans un micrοgrid pοur les télécοmmunicatiοns
Doctorant·e
HAMZAOUI Othmane
Direction de thèse
GUALOUS Hamid (Directeur·trice de thèse)
LE MASSON STÉPHANE (Co-directeur·trice de thèse)
OBEID Hussein (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
23/09/2025 à 09:00
Lieu de la soutenance
Laboratoire universitaire des sciences appliquées de Cherbourg, site de Saint-Lô
Rapporteurs de la thèse
BOURGUET SALVY Nantes Université
FORGEZ CHRISTOPHE UNIV TECHNOLOGIE COMPIEGNE UTC COMPIEGNE
Membres du jurys
BOURGUET SALVY,
,
Nantes Université
FORGEZ CHRISTOPHE,
,
UNIV TECHNOLOGIE COMPIEGNE UTC COMPIEGNE
FRANÇOISE BRIAN,
,
ORANGE INNOVATION
GUALOUS Hamid,
,
UCN - Université de Caen Normandie
HINAJE MELIKA,
,
Université de Lorraine
JIE BO,
,
The Tokyo University
LE MASSON STÉPHANE,
,
Orange labs Lannion
YAHYAOUY ALI,
,
Université de FES
Résumé
Les Réseaux d'Accès Mobile (RAN) sont d'importants consommateurs d'énergie, confrontés à une pression croissante due à l'augmentation des coûts opérationnels et au besoin urgent d'une plus grande durabilité. Les stratégies actuelles de gestion de l'énergie peinent souvent à gérer la complexité des sites télécoms modernes, qui utilisent diverses sources d'énergie, et manquent d'outils pour la conception stratégique et le partage coopératif d'énergie entre les sites. Cette thèse de doctorat aborde ces défis critiques en développant et en validant une série de Systèmes de Gestion de l'Énergie innovants et de cadres de conception adaptés au secteur des télécommunications.
L'objectif principal était de créer des solutions pratiques qui améliorent significativement l'efficacité énergétique, réduisent les coûts et augmentent la résilience des opérations RAN. Cet objectif a été atteint grâce à une modélisation avancée, des techniques d'optimisation hors-ligne et en ligne, et le développement d'un paradigme novateur d'échange d'énergie coopératif pour les déploiements multi-sites. Les contributions clés comprennent un modèle dynamique de l'État de Santé (SoH) des batteries spécifiques à l'usage télécom, des modèles à base de réseaux de neurones pour l'efficacité des convertisseurs de puissance, et l'intégration de données environnementales et de marché en temps réel.
S'appuyant sur ces modèles, un EMS hors-ligne complet pour la planification stratégique à long terme et un EMS en ligne basé sur la Commande Prédictive (MPC) pour les ajustements dynamiques en temps réel ont été développés. De plus, ce travail introduit un système coopératif d'échange d'énergie pour les sites RAN interconnectés ainsi que deux cadres de conception distincts : l'un pour optimiser l'environnement énergétique des sites RAN individuels en considérant à la fois les coûts et les émissions de carbone, et un autre pour analyser la viabilité technico-économique du regroupement de multiples sites RAN en communautés de partage d'énergie (le concept de la force du collectif). Ces cadres, développés pour fournir des outils auparavant indisponibles à l'entreprise industrielle partenaire, ont été rigoureusement testés et validés à l'aide d'un jumeau numérique calibré d'un site G-RAN opérationnel.
Les résultats démontrent que ces approches intégrées peuvent conduire à des améliorations substantielles en matière de rentabilité énergétique, de résilience opérationnelle et de durabilité environnementale pour les opérateurs télécoms. Cette recherche fournit des outils et des méthodologies pratiques et déployables, ouvrant la voie à une gestion de l'énergie plus intelligente, coopérative et durable dans les futurs réseaux de télécommunication.
Abstract
Telecommunication Radio Access Networks (RANs) are major energy consumers, facing increasing pressure from rising operational costs and the urgent need for greater sustainability. Current energy management strategies often struggle with the complexity of modern telecom sites, which use diverse energy sources, and lack tools for strategic design and cooperative energy sharing between sites. This PhD research addresses these critical challenges by developing and validating a suite of innovative Energy Management Systems (EMS) and design frameworks tailored for the telecommunications sector.
The primary aim was to create practical solutions that significantly enhance energy efficiency, reduce costs, and improve the resilience of RAN operations. This was achieved through advanced modeling, offline and online optimization techniques, and the development of a novel cooperative energy exchange paradigm for multi-site deployments. Key contributions include a dynamic battery State-of-Health (SoH) model specific to telecom usage, neural network models for power converter efficiencies, and the integration of real-time market and environmental data.
Building on these models, comprehensive offline EMS for long-term strategic planning and online Model Predictive Control (MPC)-based EMS for real-time dynamic adjustments were developed. Furthermore, this work introduces a cooperative energy exchange system for interconnected RAN sites and two distinct design frameworks: one for optimizing individual RAN site power environments considering both cost and carbon emissions, and another to analyze the techno-economic viability of clustering multiple RAN sites into energy-sharing communities (the "Power of We" concept). These frameworks, developed to provide tools previously unavailable to the supporting industrial company, were rigorously tested and validated using a calibrated numerical twin of an operational G-RAN site.
The findings demonstrate that these integrated approaches can lead to substantial improvements in energy cost-effectiveness, operational resilience, and environmental sustainability for telecom operators. This research provides practical, deployable tools and methodologies, paving the way for more intelligent, cooperative, and sustainable energy management in future telecommunication networks.
La transition vers des systèmes énergétiques durables et neutres en carbone a stimulé la recherche sur la production d'hydrogène. Parmi les solutions explorées, la déshydrogénation photocatalytique de vecteurs liquides organiques (LOHCs), notamment l’acide formique (FAc), se démarque par sa forte teneur en hydrogène et sa faible toxicité. Ce travail étudie la production de H₂ à partir de FAc en phase gazeuse sur des photocatalyseurs à base de cadres métalliques-organiques (MOFs) contenant du cuivre (Cu), en mettant l’accent sur la restructuration in-situ du Cu et l’influence de l’architecture du MOF. Plusieurs MOFs, dont UiO-66(COOH)₂, MIL-120 et MOF-802, ont été synthétisés et post-métallés au Cu afin de développer des photocatalyseurs stables, actifs et sensibles à la lumière visible. Le système UiO-66(COOH)₂-Cu s’est révélé le plus performant, atteignant une activité de 5 mmol·g⁻¹·h⁻¹ avec une excellente sélectivité (>99,9 %) et stabilité. Cette performance est liée à la réduction photo-induite du Cu²⁺ en Cu⁺/Cu⁰ et à la formation d’anhydrides de surface via la condensation de groupes carboxylates libres. Une étude approfondie a ensuite été réalisée sur UiO-66(COOH)₂-Cu en utilisant une approche multivariée, modifiant les ratios BDC/BTCA avant la post-métallation au Cu(II), pour améliorer l’accessibilité aux sites actifs et évaluer l’effet des groupes COOH libres. L’activité augmentait avec la teneur en BTCA. Les analyses operando FTIR et XAS ont confirmé la réduction du Cu²⁺ initialement lié aux carboxylates en Cu⁺/Cu⁰ sous irradiation solaire simulée avec FAc. La formation d’anhydrides de surface est également observée et proportionnelle à l’activité. Les calculs DFT ont révélé que l’agencement des carboxylates influence la stabilité de coordination du Cu. Des analyses électrochimiques et TRPL ont permis d’étudier la dynamique des porteurs de charge. L’influence de la longueur d’onde d’irradiation sur l’activité photocatalytique a aussi été explorée. UiO-66(COOH)₂-Cu a montré un comportement de type « porte logique » : inactif sous lumière visible ou NIR seules, mais très actif sous lumière combinée (≥390 nm), avec un taux de production d’H₂ de 6,1 mmol·g⁻¹·h⁻¹. Ce comportement est dû à un mécanisme en cascade à double photon : le premier couple active le catalyseur, le second déclenche la formation de H₂ et CO₂. FTIR a révélé l’augmentation des bandes d’anhydride sous NIR, leur diminution sous visible, et leur apparition significative seulement en présence simultanée de lumière et FAc. XAS a confirmé que la phase active est un mélange de Cu⁺ et Cu⁰. Les analyses TRPL et électrochimiques ont renforcé la compréhension des dynamiques de recombinaison et séparation de charge. Enfin, la valorisation du CO₂ coproduit a été étudiée via la méthanation photo-assistée sur UiO-66(Zr/Ti)-NO₂ fonctionnalisé au RuOx. Ce système a montré une haute sélectivité en CH₄, grâce aux effets photothermiques et à l’optimisation des bandes électroniques. Les études operando ont révélé la formation et l’évolution des intermédiaires réactionnels. Ce travail met en évidence l’impact du design des MOFs et de la dynamique du Cu sur l’efficacité catalytique, fournit des données fondamentales sur les nanocomposites à base de Cu et ouvre la voie à leur déploiement pour une énergie hydrogène durable.
Abstract
The urgent global pursuit of sustainable and carbon-neutral energy systems has intensified research into efficient hydrogen production technologies. Among various approaches, photocatalytic dehydrogenation of liquid organic hydrogen carriers (LOHCs), particularly formic acid (FAc), stands out due to its favorable properties, including high hydrogen content, low toxicity. This work focuses on the operando mechanistic investigation of H2 production from FAc in gas phase over copper (Cu)-based metal-organic frameworks (MOFs) photocatalysts, with particular emphasis on in-situ Cu restructuring and the role of MOF on the activity. Several MOFs, including UiO-66(COOH)₂, MIL-120, and MOF-802, were synthesized and post-metalated with Cu to develop active, stable, and visible-light-responsive photocatalysts. Despite attempts to suppress its activity, UiO-66(COOH)₂-Cu showed the highest performance, with H₂ evolution up to 5 mmol·g⁻¹·h⁻¹, >99.9% selectivity, and long-term stability. Its superior behavior was linked to light-induced Cu²⁺ reduction to Cu⁺/Cu⁰ and the concurrent formation of surface anhydride bridges from free carboxylate groups. Then a detailed mechanistic study on UiO-66(COOH)₂-Cu used a multivariate approach with varied linker ratio: BDC/BTCA and Cu(II) post-metalation to enhance active site accessibility and assess the effect of free carboxylate content on performance. The activity increased with higher BTCA content. Furthermore, operando FTIR and XAS showed that Cu²⁺, initially bound to free carboxylates, is reduced to Cu⁺ and Cu⁰ under solar simulated irradiation in the presence of FAc. Surface anhydride formation was also observed and found to correlate linearly with activity. DFT calculations revealed that the spatial arrangement of carboxylates influences Cu coordination stability and the restructuring process. Moreover, electrochemical and time resolved techniques allowed the investigation of the charge carrier dynamics of the underlying mechanism. Furthermore, the thesis explores the influence of irradiation wavelength on the photocatalytic performance. The UiO-66(COOH)₂-Cu show a unique photocatalytic logic gate behavior where it remained inactive under either visible light (>390–720 nm) or near-infrared (NIR) irradiation (>700 nm) alone but became highly active under combined visible + NIR irradiation (≥390 nm), achieving a hydrogen evolution rate of 6.1 mmol·g⁻¹·h⁻¹. Results revealed a double-photon cascade mechanism: the first photon combination activated the catalyst, while a second triggered H₂ and CO₂ formation. Operando FTIR showed that the anhydride bands increase under NIR and decrease under visible light, with significant anhydride formation (and thus Cu²⁺ restructuring) occurring only when both irradiations and FAc were present. Operando XAS confirmed that the active phase was a mixture of Cu⁺ and metallic Cu. TRPL and electrochemical analysis support the interpretation of charge separation, recombination dynamics, offering deeper insight into structure-function relationships. Finally, the thesis broadens its scope to address CO₂ valorization that is mainly produced from FAc along with the H2 in appropriate ratio by applying RuOx-functionalized UiO-66(Zr/Ti)-NO₂ catalysts for photo-assisted CO₂ methanation. A high CH₄ selectivity and activity was achieved, attributed to photothermal effects and optimized band structures of UiO-66(Zr/Ti)-NO₂. Operando surface studies reveal the formation and transformation of key intermediates, delineating the reaction pathway. Overall, this work reveals how MOF design and in-situ Cu dynamics drive efficient FAc dehydrogenation, uncovers key photophysical insights into Cu-based nanocomposites and excitation effects, and paves the way for MOF-based catalysts in carbon-neutral energy systems.
Etude de prοcédé de cristallisatiοn par cοuplage de la micrοfluidique de gοuttes et de la micrοscοpie οptique nοnlinéaire
Doctorant·e
CERCEL Hugo
Direction de thèse
DUPRAY VALÉRIE (Directeur·trice de thèse)
BRANDEL CLEMENT (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
18/09/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
Amphithéâtre Charles Darwin, Batiment Emile Blondel, Campus de Mont Saint Aignan
Rapporteurs de la thèse
HARSCOAT-SCHIAVO CHRISTELLE Université de Bordeaux
MANGIN DENIS Université Claude Bernard - Lyon 1
Membres du jurys
BRANDEL CLEMENT,
,
URN - Université de Rouen Normandie
CANDONI NADINE,
,
Aix-Marseille université
DUPRAY VALÉRIE,
,
URN - Université de Rouen Normandie
HARSCOAT-SCHIAVO CHRISTELLE,
,
Université de Bordeaux
MANGIN DENIS,
,
Université Claude Bernard - Lyon 1
YON JEROME,
,
INSA Rouen Normandie
Résumé
La cristallisation peut conduire à la formation de divers solides (polymorphes, cocristaux, etc.) aux propriétés spécifiques : solubilité, température de fusion, biodisponibilité, etc. Comprendre le comportement global du système est donc essentiel pour contrôler le produit final. En raison de son caractère stochastique, une approche statistique permet d’identifier l’impact des paramètres (température, solvant, sursaturation, etc.) sur la cristallisation. La microfluidique de gouttes, générant de nombreuses gouttes identiques agissant comme des microréacteurs indépendants, est une technique de choix. Toutefois, elle nécessite une stratégie adaptée pour la caractérisation in situ des cristaux. Dans ce cadre, deux phénomènes optiques non linéaires sont utilisés pour identifier les phases solides : la Génération de Seconde Harmonique (SHG) et la Fluorescence Deux Photons (TPF). Leur localisation dans chaque goutte permet alors d’identifier les cristaux. Ces travaux ont mené à (i) la mise au point d’un prototype imprimé en 3D couplant microfluidique de gouttes et microscopie optique non linéaire, (ii) l’étude de la cristallisation de l’Acide o-aminobenzoïque (o-ABA), sujet au polymorphisme concomitant (i.e., la cristallisation simultanée d’au moins deux polymorphes différents) et (iii) une investigation préliminaire du système Praziquantel – Acide vanillique, qui présente deux co-cristaux, tout cela afin d’évaluer l’intérêt de ce couplage pour l’élaboration de procédés de cristallisation.
Abstract
Crystallization can lead to the formation of various solid forms (polymorphs, cocrystals, etc.) with specific properties such as solubility, melting point or bioavailability. Understanding the overall behavior of the system is therefore essential to control the final crystallization product. Due to its stochastic nature, a statistical approach can be used to identify the influence of parameters (temperature, solvent, supersaturation, etc.) on crystallization. Droplet-based microfluidics, which generates numerous identical droplets acting as independent microreactors, is a method of choice. However, it requires a suitable strategy for in situ characterization of crystals. In this context, two nonlinear optical phenomena are employed to identify solid phases: Second Harmonic Generation (SHG) and Two Photon Fluorescence (TPF). Their localization within each droplet enables the identification of crystals. This work led to (i) the development of a 3D-printed prototype coupling droplet-based microfluidics and nonlinear optical microscopy, (ii) the study of o-aminobenzoic acid (o-ABA) crystallization, and (iii) a preliminary investigation of the Praziquantel – Vanillic acid system, which forms two different cocrystals, all aimed at valuating the relevance of this coupling for the development of crystallization processes.
Μétrοlοgie tridimensiοnnelle basée sur l'imagerie plénοptique : applicatiοn à la caractérisatiοn des interfaces liquide-gaz.
Doctorant·e
SCHLEUNIGER Pierre
Direction de thèse
BLAISOT JEAN-BERNARD (Directeur·trice de thèse)
BRUNEL MARC (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
12/09/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
Laboratoire CORIA - Salle de conférence
Rapporteurs de la thèse
MAUGER CYRIL Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
PICART PASCAL UNIVERSITE LE MANS
Membres du jurys
BAILLY YANNICK,
,
Université Bourgogne Franche-Comté
BLAISOT JEAN-BERNARD,
,
URN - Université de Rouen Normandie
BRUNEL MARC,
,
URN - Université de Rouen Normandie
MACHICOANE NATHANAEL,
,
Université de Grenoble Alpes
MAUGER CYRIL,
,
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
PERRET GAELE,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
PICART PASCAL,
,
UNIVERSITE LE MANS
Résumé
Les écoulements diphasiques sont présents dans de nombreuses applications aussi bien industrielles que sanitaires. La caractérisation complète de l’interface liquide-gaz est cruciale pour permettre une meilleure compréhension des phénomènes physiques entrant en jeu au sein des écoulements diphasiques. Actuellement, seule la simulation numérique directe (DNS) permet d’accéder à l’intégralité de l’interface liquide-gaz. Il est donc nécessaire de développer une métrologie capable d’accéder expérimentalement à la position tridimensionnelle (3D) de ces interfaces. L’imagerie de champ, technique émergente rendue accessible avec le développement récent des caméras plénoptiques, est prometteuse pour la métrologie des interfaces. Les caméras plénoptiques ont la particularité de pouvoir capturer le champ optique 4D à l’aide d’une matrice de microlentilles intégrée. Cela permet d’obtenir la position le long de l’axe optique (la profondeur) avec un unique capteur, une seule acquisition et une source de lumière incohérente. Dans cette thèse, nous avons utilisé une caméra plénoptique multifocales possédant une profondeur de champ plus importante que les caméras plénoptiques à une seule focale, au prix d’une résolution spatiale un peu plus faible. Dans un premier temps, nous avons déterminé le volume de mesure offert par la caméra à partir de la calibration de la réponse impulsionnelle du système optique. L’obtention de cette réponse nous a permis de déterminer un critère de mise au point définissant les limites de profondeur du volume de mesure, associées à une taille minimale d’objet fixée. Nous avons observé un comportement croissant monotone de la largeur de la réponse impulsionnelle à mesure que l’objet se rapproche de la caméra. Il en résulte une diminution progressive de la résolution spatiale, intrinsèque aux caméras plénoptiques focalisées galiléennes. Nous avons ensuite mené une campagne de mesure sur le banc d’injection MARACA, dans une configuration à quatre injecteurs coaxiaux : deux injecteurs au premier plan et deux injecteurs à l’arrière-plan. Compte tenu des incertitudes, les positions 3D des gouttes mesurées ont montré un très bon accord avec les positions réelles des injecteurs, ce qui a permis de valider la métrologie plénoptique. Des distributions spatiales tridimensionnelles de la concentration de gouttes, de la densité d’interface, de la fraction volumique de liquide et du diamètre moyen de Sauter ont pu être obtenues. Nous avons remarqué que dans cette configuration particulière, la présence d’objets occultant (jets liquides, grandes structures liquides) a un impact sur la distribution spatiale du comptage de gouttes. Ce phénomène tend à s’estomper dans le cas de la distribution d’interface et de fraction volumique. Dans le cadre du projet Remobulle, nous avons effectué des mesures de tailles et de positions 3D de bulles dans une colonne cylindrique, dans le régime de bulles uniques. Nous avons observé que l’astigmatisme induit par la courbure de la fenêtre du cylindre avait une influence sur la forme des images de bulles d’une part, et sur l’estimation de la profondeur de l’interface d’autre part. Nous avons mis en évidence une relation entre l’orientation du gradient de niveau de gris au niveau de l’interface, la profondeur initialement estimée et la profondeur réelle. Une correction de la profondeur et de la taille des bulles a pu être effectuée à partir de cette relation et d’une calibration préalable.
Abstract
Two-phase flows are present in many applications, both industrial and health-related. Complete characterisation of the liquid-gas interface is crucial to a better understanding of the physical phenomena involved in two-phase flows. Currently, only direct numerical simulation (DNS) provides access to the entire liquid-gas interface. It is therefore necessary to develop a metrology capable of providing experimental access to the three-dimensional (3D) position of these interfaces. Light field imaging, an emerging technique made accessible with the recent development of plenoptic cameras, is promising regarding interface metrology applications. Plenoptic cameras have the particularity of capturing the 4D light field, thanks to an embedded microlens array. This allows to obtain the position along the optical axis (depth) with a single sensor, a single acquisition and a non-coherent light source. In this thesis, we used a multi-focus plenoptic camera which provides a larger depth of field than single focus plenoptic cameras, at the cost of a slightly lower spatial resolution. Firstly, we determined the measurement volume provided by the camera by calibrating the impulse response of the optical system. Obtaining this response enabled us to determine a focus criterion defining the depth limits of the measurement volume, associated with a fixed minimum object size. We observed a monotonic increase in the width of the impulse response as the object got closer to the camera. This results in a decrease of spatial resolution, which is intrinsic to focused galilean plenoptic cameras. We then carried out a measurement campaign on the MARACA injection bench, in a configuration with four coaxial injectors : two injectors in the foreground and two injectors in the background. Taking into account the uncertainties, the 3D positions of the measured droplets showed very good agreement with the actual positions of the injectors, which allowed to validate the plenoptic metrology. Three-dimensional spatial distributions of drop concentration, interface area density, liquid volume fraction and Sauter mean diameter were obtained. We have noticed that in this particular configuration, the presence of occluding objects (liquid jets, large liquid structures) has an impact on the spatial distribution of the drop count. This phenomenon tends to disappear in the case of interface area and volume fraction distribution. As part of the Remobulle project, we measured the size and the 3D position of bubbles in a cylindrical column in the single bubbling regime. We observed that the astigmatism induced by the curvature of the cylinder’s window had an influence on the shape of the bubble images, on the one hand, and on the depth estimation at the interface, on the other hand. We highlighted a relationship between the orientation of the grey level gradient at the interface, the initially estimated depth and the actual depth. A correction of the depth and the size of the bubbles was made on the basis of this relationship and a prior calibration.
Early Ρredictiοn οf Spray Charactéristic Based οn Curvature Distributiοn
Doctorant·e
HUANG Longxiang
Direction de thèse
DEMOULIN FRANÇOIS-XAVIER (Directeur·trice de thèse)
DURET BENJAMIN (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
09/09/2025 à 09:00
Lieu de la soutenance
Salle de conference CORIA
Rapporteurs de la thèse
MATAS JEAN-PHILIPPE Université Claude Bernard - Lyon 1
ODIER NICOLAS CERFACS
Membres du jurys
BOUALI ZAKARIA,
,
Ensma Poitiers
DEMOULIN FRANÇOIS-XAVIER,
,
URN - Université de Rouen Normandie
DUMOUCHEL CHRISTOPHE,
,
URN - Université de Rouen Normandie
DURET BENJAMIN,
,
URN - Université de Rouen Normandie
MATAS JEAN-PHILIPPE,
,
Université Claude Bernard - Lyon 1
ODIER NICOLAS,
,
CERFACS
Résumé
Les processus d’atomisation et de pulvérisation jouent un rôle essentiel dans diverses applications industrielles et scientifiques, notamment l’injection de carburant dans les moteurs
à combustion, la pulvérisation agricole, l’administration de médicaments pharmaceutiques
et la fabrication additive. La performance de ces applications dépend fortement des caractéristiques du spray.
Les recherches sur l’atomisation visent à décrire, comprendre et contrôler la formation
du spray, aboutissant finalement à la stabilisation de gouttelettes sphériques. Cependant, des
caractéristiques telles que la distribution granulométrique des gouttelettes ne sont généralement pas bien définies pendant le processus d’atomisation, car les gouttelettes sphériques
sont absentes durant la majeure partie du processus.
Pour remédier à cette limitation, une nouvelle méthodologie basée sur l’analyse des distributions de courbure de surface a été développée. Cette approche reste bien définie à toutes
les étapes de l’atomisation. Une transformation mathématique permet de convertir cette distribution de courbure en une distribution directe de diamètres sans perte d’information. Ce
modèle peut ensuite être utilisé pour estimer une distribution granulométrique équivalente
potentielle, fournissant ainsi des informations précieuses sur les caractéristiques finales du
spray. L’analyse de courbure de surface permet ainsi une description continue du spray.
Initialement validée par des simulations numériques, cette méthode d’analyse s’est également avérée efficace pour le traitement d’images. Toutefois, comme la plupart des images
expérimentales sont limitées à deux dimensions, nous avons étudié les biais introduits par
cette limitation dans différents cas, tels que les phénomènes de superposition ou de recouvrement dans l’analyse d’images. Pour générer des structures liquides réalistes, des simulations
numériques de turbulence homogène isotrope ont été réalisées pour différents scénarios.
Ces structures ont ensuite été projetées sur un plan bidimensionnel pour reproduire des
images expérimentales 2D potentielles. L’analyse de courbure de surface a été appliquée
à la fois aux données tridimensionnelles et bidimensionnelles afin d’évaluer l’impact de la
dimensionnalité.
De plus, un système d’injection typique, particulièrement adapté à l’imagerie expérimentale 2D, a été sélectionné pour une étude approfondie. La configuration de flat fan spray a
d’abord été examinée à travers une revue bibliographique, en mettant l’accent sur les mécanismes de rupture et les contraintes numériques. Une tentative détaillée de reproduction de
cette configuration a été réalisée à l’aide de simulations numériques directes (DNS), révélant
des caractéristiques clés telles que les distributions de vitesse et l’évolution de l’épaisseur du
spray. Les paramètres initiaux, notamment la vitesse d’injection et les angles d’ouverture, se
sont avérés avoir une influence significative sur les caractéristiques finales du spray.
Enfin, l’analyse de courbure de surface a été appliquée au processus de rupture du flat fan
spray pour approfondir son utilité. Un article de congrès présentant l’analyse des résultats
de l’expérience sur le flat fan spray, suivant la méthodologie élaborée dans cette thèse, figure
en annexe en fin de document.
Abstract
Atomization and spray processes play a critical role in various industrial and scientific
applications, including fuel injection in combustion engines, agricultural spraying, pharmaceutical drug delivery, and additive manufacturing. The performance of these applications is
highly dependent on the spray characteristics.
Research on atomization aims to describe, understand, and control spray formation,
ultimately leading to the stabilization of spherical droplets. However, spray characteristics
such as droplet size distribution are typically not well defined during atomization, as spherical
droplets are absent for most of the process.
To address this, a novel methodology based on surface curvature distributions has been
developed, which remains well-defined at all stages of atomization. A mathematical transformation converts this curvature distribution into a direct diameter distribution without
information loss. This model can then be applied to estimate a possible equivalent droplet
size distribution, providing insight into the final characteristics of the spray. Surface curvature
analysis can therefore enable a continuous description of the spray.
Initially validated through numerical simulations, surface curvature analysis has also
been proven effective in image analysis. However, since most experimental images are limited to 2D, we investigate the bias introduced by this limitation in different cases, such as
superposition or overlap in image analysis. To generate realistic liquid structures, numerical
simulations of homogeneous isotropic turbulence were employed under various scenarios.
These structures were then projected onto a two-dimensional grid to mimic potential experimental 2D images. The surface curvature analysis was applied to both 3D and 2D data to
assess the impact of dimensionality.
In addition, a typical injection system, which is favorable for 2D experimental imaging,
was selected for further study. The flat fan spray configuration was first examined through a
literature review, focusing on break-up mechanisms and numerical constraints. A detailed
attempt to reproduce this configuration was conducted using direct numerical simulations
(DNS), which revealed key characteristics such as velocity distributions and thickness evolution. The initial parameters, including injection velocity and opening angles, were shown to
significantly influence the final spray characteristics.
Finally, surface curvature analysis was applied to the break-up process of the flat fan spray
to further explore its utility. A conference paper analyzing the results from the experiment of
flat fan spray, based on the methodology developed in this thesis, has been included as an
appendix at the end.
Analyse de la fοrmatiοn de pοlluants en prοche-parοi au sein de chambres de cοmbustiοn de turbοréacteurs (AΤLAΝΤΙS)
Doctorant·e
BLAISE ANTOINE
Direction de thèse
Date de la soutenance
26/08/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
Salle de conférence, UMR 6614 CORIA, Saint Etienne du Rouvray
Rapporteurs de la thèse
Membres du jurys
Résumé
La réduction des émissions de polluants liées aux activités anthropogéniques est une préoccupation majeure des acteurs du monde aéronautique. Le secteur de l’aviation contribue à hauteur de 2,5 % aux émissions mondiales de dioxyde de carbone (CO2). Principal précurseur du CO2 et marqueur d’une combustion incomplète, le monoxyde de carbone (CO) joue un rôle majeur dans la chimie atmosphérique (formation d’ozone) avec un forçage radiatif indirect de 0,2 W/m2.Cette molécule engendre de surcroît des effets nocifs directs sur la santé, en particulier des risques cardiovasculaires et d’asphyxie importants. Les projections à l’horizon de 2050 prédisant une croissance forte du nombre d’aéronefs commerciaux en circulation, le développement de nouvelles solutions technologiques afin de réduire les émissions de CO des moteurs d’avion s’avère primordial.
Réaliser de telles avancées pourrait améliorer l’efficacité des systèmes de propulsion tout en garantissant la durabilité et la sécurité des systèmes. Ce dernier point est critique au sein des chambres de combustion où les parois doivent être refroidies afin de ne pas subir de fortes contraintes induites par l’écoulement réactif (température et composition chimique).
L’objectif de la thèse vise à étudier expérimentalement les mécanismes physico-chimiques menant à la formation et l’oxydation du polluant clef de la combustion proche-paroi : le monoxyde de carbone. Les processus de combustion proche-paroi sont étudiés sur le banc de combustion académique CENTOR, développé au laboratoire CORIA. La configuration expérimentale consiste en une flamme turbulente de prémélange méthane/air en V dans des conditions de combustion pauvre. La flamme interagit avec un film d’air de refroidissement pariétal, injecté grâce à une fente. Grâce à de larges accès optiques, des diagnostics d’imagerie de fluorescence induite par laser (PLIF) permettent d’étudier simultanément plusieurs processus. L’impact du mélange entre le film d’air de refroidissement et l’écoulement principal est analysé grâce à des mesures instantanées couplées de PLIF sur OH et NO (traceur inerte). L’étude des mécanismes en lien avec le CO selon le débit d’air de refroidissement est réalisée via des mesures instantanées couplées de PLIF sur OH et CO. Les mesures in-situ par fluorescence sont complétées par des mesures globales de concentration par prélèvement de gaz.
L’analyse des données expérimentales permet de mettre en lumière l’importance des mécanismes de mélange aérodynamique sur les processus reliés au CO. Un compromis déterminant pour l’oxydation du CO proche-paroi est donc nécessaire entre un refroidissement de paroi maximal et la réduction des émissions de CO. En outre, les données contribuent à l’amélioration des simulations numériques de combustion proche-paroi.
Abstract
Reducing pollutants emissions linked to anthropogenic activities is a major concern in the aviation industry. The aviation sector accounts for 2.5 % of global carbon dioxide (CO2) emissions. Carbon monoxide (CO), main precursor of CO2 and a marker of incomplete combustion, plays a major role in atmospheric chemistry (ozone formation), with an indirect radiative forcing of 0.2 W/m2. This molecule also has direct harmful effects on health, in particular significant risks of cardiovascular disease and asphyxiation. Considering the projections for 2050 predicting a sharp increase in the number of commercial aircraft in service, it is vital to propose new technological solutions to reduce the CO emissions produced by aircraft engines.
Such advances must be achieved to improve the efficiency of these propulsion systems while guaranteeing their durability and safety. This last point is a key point within combustion chambers, where the walls must be cooled in order to avoid the high stresses induced by the reactive flow (temperature and species composition).
The aim of this thesis is to experimentally study the physico-chemical mechanisms leading to the formation and oxidation of the key pollutant in near-wall combustion: carbon monoxide. The near-wall combustion processes are studied in the CENTOR academic combustion test rig, developed at the CORIA laboratory. The experimental configuration consists of a turbulent V-shaped lean methane/air premixed flame. The flame interacts with a cooling air film injected through a slot. Thanks to large optical accesses, Planar Laser-induced Fluorescence (PLIF) diagnostic can be used to study several processes simultaneously. The impact of mixing between the cooling air film and the main flow is investigated using instantaneous and coupled PLIF measurements on OH and NO (inert tracer). The study of the mechanisms associated with CO as a function of the cooling air flow rate is performed using instantaneous and coupled PLIF measurements on OH and CO. In-situ fluorescence measurements are complemented by global concentration measurements using gas sampling.
Analysis of the experimental results highlights the importance of aerodynamic mixing mechanisms on CO-related processes. A decisive compromise for near-wall CO oxidation is therefore required between maximum wall cooling and reduction of CO emissions. In addition, these data will help to improve numerical simulations of near-wall combustion.
Static Liquefactiοn Ροtential οf Saturated and Unsaturated Sandy Sοils
Doctorant·e
HUANG WENHAO
Direction de thèse
Date de la soutenance
09/07/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
Amphithéâtre Prony du LOMC 53 Rue de Prony, 76600 Le Havre
Rapporteurs de la thèse
Membres du jurys
Résumé
Dans cette étude, le comportement en liquéfaction statique des sols sableux entièrement saturés et non saturés est étudié de manière approfondie, en se concentrant sur les effets du paramètre d'état (ψ), du degré de saturation (Sr) et de la contrainte effective moyenne initiale (p'₀). Une série d’essais triaxiaux en cisaillement non drainé a été réalisée sur le sable Hostun RF, complétée par des simulations numériques à l’aide du modèle constitutif NorSand. Pour les sols entièrement saturés, le potentiel de liquéfaction est principalement régi par le paramètre d’état (ψ) et la contrainte effective moyenne initiale (p'₀). Pour les échantillons surconsolidés, le potentiel de liquéfaction augmente avec ψ, tandis que pour les échantillons normalement consolidés, il diminue lorsque p'₀ augmente. Concernant les sols non saturés, la présence de bulles d’air complexifie leur comportement par rapport aux sols saturés. Une nouvelle méthode de contrôle de la saturation a été développée pour les essais triaxiaux, permettant d’ajuster Sr (85–100 %) tout en minimisant les effets de la succion matricielle. En outre, un modèle prédictif 3D du rapport de pression interstitielle (Ru) a été élaboré, intégrant Sr, ψ et p'₀. Les simulations numériques utilisant NorSand reproduisent efficacement les principales caractéristiques de la liquéfaction statique, en bon accord avec les résultats expérimentaux. Sur la base de ces simulations, un critère de liquéfaction statique pour les sols saturés a été établi et validé à partir des données expérimentales, confirmant sa fiabilité pour la prédiction du potentiel de liquéfaction des sols sableux.
Abstract
In this study, the static liquefaction behavior of fully saturated and unsaturated sandy soils is comprehensively investigated, focusing on the effects of the state parameter (ψ), the degree of saturation (Sr) and the initial mean effective stress (p'0). A series of triaxial undrained shear experiments were carried out on Hostun Sand RF and analyzed by numerical simulations using the NorSand constitutive model. For fully saturated soils, liquefaction potential is primarily governed by the state parameter (ψ) and the initial mean effective stress (p'0). For overconsolidated samples, liquefaction potential increases with higher ψ. For normally consolidated samples, it is mainly controlled by p'0, and decreases as p'0 increases. For unsaturated soils, the presence of air bubbles makes their behavior more complex compared to fully saturated soils. A novel saturation control methodology was developed for triaxial testing, enabling adjustment of Sr (85–100%) while minimizing matric suction effects. Furthermore, a predictive 3D model for the pore pressure ratio (Ru) was developed, incorporating the saturation degree (Sr), state parameter (ψ) and initial mean effective stress (p'0). Numerical simulations using NorSand effectively capture key features of static liquefaction in good agreement with experimental results. Based on these simulations, a static liquefaction criterion for fully saturated soils was established and validated against experimental data, confirming its reliability in predicting the liquefaction potential of sandy soils.
Captage pοst-cοmbustiοn du diοxyde de carbοne par des sels d'acides aminés
Doctorant·e
DELANNEY ARNAUD
Direction de thèse
Date de la soutenance
09/07/2025 à 09:00
Lieu de la soutenance
INSARouen Normandie
Rapporteurs de la thèse
Membres du jurys
Résumé
Le captage du CO2 contenu dans les fumées post-combustion s’avère essentiel en vue d’atteindre l’objectif de zéro émission nette de CO2 d’ici 2050. L’absorption du CO2 par des solvants constitue aujourd’hui la solution de captage la plus efficace. Cependant, le solvant de référence (MEA 30% mass.) de référence présente des défauts majeurs : dégradation thermique, synthèse à partir de matières fossiles, toxicité et énergie de régénération élevée.
Ainsi, la finalité de cette étude est de trouver la meilleure formulation d’un solvant alternatif de captage de CO2 à base de sels d’acides aminés. La viscosité, la masse volumique, la vitesse d’absorption et les vitesses de réaction sont des propriétés fondamentales dans le choix d’un solvant et nécessitent des modèles précis pour les estimer. Seulement, les propriétés des solutions électrolytiques sont difficiles à modéliser. Par ailleurs, les valeurs des cinétiques d’absorption et de réaction présentes dans la littérature sont relativement dispersées, variant d’une équipe de recherche à l’autre. De cette manière, dans cette étude, la viscosité et la densité de solutions d’acides aminés sont déterminées et modélisées en fonction de variables comme la température, la concentration mais également en fonction des groupes fonctionnels des anions en établissant des modèles semi-empiriques précis, à l’aide notamment d’un réseau de neurones artificiels. Les influences du contre-ion sodium ou potassium, et des groupements fonctionnels des anions, sur ces propriétés sont également analysées.
Ensuite, dans cette étude, un approfondissement théorique du régime de pseudo-premier ordre dans le cadre du double-film sous lequel sont réalisées la plupart des déterminations de cinétique d’absorption, est mené avec l’établissement de nouvelles équations généralisées. Ces résultats permettent d’apprécier plus précisément l’écart entre les valeurs prédites selon l’hypothèse du régime de pseudo-premier ordre et la valeur réelle. Suite à cette étude théorique, des mesures expérimentales de cinétique d’absorption sur des solutions aqueuses, de MDEA, de glycinate et de lysinate sont menées démontrant la grande vitesse d’absorption de ces solutions. Ces résultats démontrent notamment que les solutions aqueuses de sels de sodium et de glycinate absorbent moins vite que celles de potassium, mais restent compétitives contrairement à ce qui était supposé jusqu’à présent.
Abstract
Capturing the CO2 contained in post-combustion flue gases is essential to achieve the goal of zero net CO2 emissions by 2050. Among these capture solutions, solvent-based CO2 absorption is currently the most effective. However, the aqueous solution of monoethanolamine (MEA 30% mass.) considered as the reference solvent has major shortcomings: corrosiveness, thermal degradation, synthesis from fossil materials, toxicity and high regeneration energy... and has led to the study of alternative solvents.
Therefore, the aim of this study is to find the best formulation of a CO2 capture solvent based on amino acid salts. Viscosity, density, absorption rate and reaction rates are fundamental properties in the choice of a solvent, and require accurate models to estimate them. However, the properties of electrolyte solutions are difficult to model. Moreover, the values of absorption and reaction kinetics found in the literature are relatively scattered, varying from one research team to another one.
Subsequently, in this study, the viscosity and the density of amino acid salts solutions are determined and modeled as a function of variables such as temperature and concentration, but also as a function of the anions' functional groups, by establishing precise semi-empirical models, using in particular an artificial neural network. The influences of the sodium or potassium counterion, and of the anions' functional groups, on these properties are also analyzed.
Next, in this study, a theoretical investigation of the pseudo-first-order regime in the double-film framework under which most absorption kinetics determinations are made, is carried out with the establishment of new generalized equations. These results make it possible to appreciate more precisely the discrepancy between the values predicted on the assumption of the pseudo-first-order regime and the actual value. Following this theoretical study, experimental absorption kinetics measurements were carried out on aqueous solutions of MDEA, glycinate and lysinate, demonstrating the high absorption rate of these solutions. In particular, these results show that aqueous solutions of sodium and glycinate salts absorb less rapidly than those of potassium, but remain competitive, contrary to previous assumptions.
Μéthοdes hybrides fοndées sur l'ΙA et la physique pοur la quantificatiοn des dοmmages structurels et l'analyse de sensibilité
Doctorant·e
SHI CHEN
Direction de thèse
Date de la soutenance
07/07/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
BO-A-RC-02
Rapporteurs de la thèse
Membres du jurys
Résumé
La surveillance de l'état des structures (SHM) joue un rôle essentiel dans l'assurance de la sécurité, de la fiabilité et de la durabilité des infrastructures. Cette thèse propose une approche hybride combinant l'intelligence artificielle (IA) et des méthodes basées sur la physique pour améliorer la quantification des dommages structurels et l'analyse de sensibilité. Bien que les méthodes traditionnelles basées sur les vibrations fournissent des informations précieuses, elles présentent des limites en matière de traitement en temps réel et d’adaptabilité aux structures complexes. Les récents progrès en apprentissage automatique, en particulier les réseaux de neurones convolutifs (CNNs), ont démontré un fort potentiel, mais nécessitent souvent une grande quantité de données et manquent d’interprétabilité.
Pour pallier ces limitations, nous développons dans cette thèse une méthode basée sur l’IA pour la détection des dommages structurels. Cette méthode utilise la transformation de Fourier à court terme (STFT) afin de convertir les signaux vibratoires en spectrogrammes temps-fréquence, qui sont ensuite analysés par des modèles CNN. La validation sur des structures de référence, notamment les bases de données IASC-ASCE et QUGS (Simulateur de tribune de l'Université du Qatar), confirme que la méthode CNN-STFT améliore la précision de détection des dommages ainsi que l'efficacité proposée des calculs.
Au-delà de la détection des dommages, cette thèse introduit une approche basée sur la physique pour quantifier les dommages en intégrant des indices de dommage (DI) dérivés de l’analyse modale dans les modèles CNN. Cette intégration comble le fossé entre les prédictions pilotées par l’IA et l'interprétabilité physique, garantissant que les sorties des modèles correspondent au comportement structurel réel. Les évaluations expérimentales menées sur la base de données IASC-ASCE démontrent la robustesse de cette approche dans la détection et la quantification des dommages sous diverses conditions structurelles, y compris les scénarios multi-dommages.
De plus, cette recherche explore de manière systématique l'analyse de sensibilité. Les indices de Sobol sont utilisés pour identifier les paramètres incertains les plus influents affectant le DI, en particulier les propriétés liées à la rigidité, comme le module de Young. Les résultats mettent en évidence que la sévérité des dommages amplifie la sensibilité des paramètres, soulignant ainsi la nécessité de prendre en compte les incertitudes dans les méthodologies SHM.
En définitive, cette thèse contribue aux recherches en SHM en intégrant de manière transparente les techniques de l'IA et les approches basées sur la physique pour améliorer la précision de détection des dommages, renforcer l’interprétabilité et permettre une application en temps réel. L'approche proposée améliore non seulement les méthodologies SHM existantes, mais ouvre également la voie à de futures avancées en optimisation de la fiabilité et en amélioration des modèles d’apprentissage profond intégrant l'incertitude.
Abstract
Structural Health Monitoring (SHM) plays a critical role in ensuring the safety, reliability, and lifespan of structures. This thesis presents a hybrid AI (Artificial Intelligence) and physics-informed approach to enhance structural damage quantification and sensitivity analysis. While traditional vibration-based SHM methods provide valuable insights, they face challenges in handling complex structures and real-time data processing. Recent advancements in machine learning, particularly Convolutional Neural Networks (CNNs), have demonstrated strong potential but often require large datasets and lack interpretability.
To address these limitations, this research develops an AI-based framework for structural damage detection, utilizing Short-Time Fourier Transform (STFT) to convert vibration signals into time-frequency spectrograms, which are then analyzed using CNN models. Validation on benchmark structures, including the IASC-ASCE and QUGS (Qatar University Grandstand Simulator) datasets, confirms that the CNN-STFT method enhances damage detection accuracy and computational efficiency.
Beyond damage detection, the thesis introduces a physics-informed approach to damage quantification by integrating Damage Indices (DI) from modal analysis into CNN models. This integration bridges the gap between AI-driven predictions and physical interpretability, ensuring that model outputs align with actual structural behavior. Experimental evaluations using the IASC-ASCE benchmark demonstrate the robustness of this approach in detecting and quantifying damage under various structural conditions, including multiple damage scenarios.
Furthermore, the research systematically explores sensitivity analysis. Sobol indices are used to identify the most influential uncertain parameters affecting DI, particularly stiffness-related properties such as Young’s modulus. The findings emphasize that damage severity amplifies parameter sensitivity, reinforcing the necessity of uncertainty considerations in SHM methodologies.
Overall, this thesis advances SHM research by seamlessly integrating AI and physics-based techniques to improve damage detection accuracy, enhance interpretability, and enable real-time applications. The proposed framework not only refines existing SHM methodologies but also lays the foundation for future advancements in reliability optimization and uncertainty-aware deep learning enhancements.
Ιdentificatiοn des paramètres οptimaux de mise en οeuvre des matériaux cοmpοsites incοrpοrant des fibres de lin lοrs de sοllicitatiοns Τhermο-Ηygrο/Ηydrο-Μécaniques
Doctorant·e
LEVEE Antoine
Direction de thèse
NOUDEM Jacques (Directeur·trice de thèse)
BREARD Joel (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
24/06/2025 à 09:30
Lieu de la soutenance
amphithéâtre de l'IUT Génie Chimie Génie des Procédés, au premier étage du hall central
Rapporteurs de la thèse
COMAS-CARDONA SÉBASTIEN ECOLE CENTRALE NANTES
HIVET GILLES Université d'Orléans
Membres du jurys
BINETRUY CHRISTOPHE,
,
ECOLE CENTRALE NANTES
BREARD Joel,
,
UCN - Université de Caen Normandie
CELINO AMANDINE,
,
Nantes Université
COMAS-CARDONA SÉBASTIEN,
,
ECOLE CENTRALE NANTES
DAVIES PETER,
,
29 IFREMER Centre de BREST
HIVET GILLES,
,
Université d'Orléans
MICHAUD VERONIQUE,
,
Ecole Polytechnique de Lausanne Suisse
NOUDEM Jacques,
,
UCN - Université de Caen Normandie
Résumé
La mise en œuvre de préformes en fibres de lin intégrées comme renforts dans les matériaux composites reste un processus encore mal maîtrisé, notamment en ce qui concerne leur comportement sous sollicitations couplées dans l’espace Thermo-Hygro-Hydro-Mécanique.
Ce travail de recherche s’est attaché à développer des protocoles expérimentaux rigoureux, permettant d’analyser avec précision l’influence de paramètres clés tels que la teneur en eau, la vitesse de sollicitation et l’architecture fibreuse. La caractérisation et la modélisation du comportement mécanique, lors de sollicitations de type compaction/compression et relaxation, et pour des conditions hygrothermiques contrôlées, ont ainsi pu être effectuées.
Les résultats ont mis en évidence l’existence d’effets seuil liés à l’humidité, ainsi que des évolutions notables du comportement selon la vitesse de sollicitation. Une interprétation des mécanismes internes de réorganisation et d’interaction des constituants a été proposée, en lien avec les spécificités des fibres de lin et la nature des sollicitations.
Enfin, l’application de ces résultats lors de la mise en œuvre de matériaux composites optimisés a permis de valider expérimentalement la démarche, et de proposer des fiches process.
Ces travaux s’inscrivent dans une perspective élargie de structuration d’une ingénierie des matériaux agro-sourcés rigoureuse et prédictive.
Abstract
The manufacturing process of flax fibre preforms used as composite materials reinforcements remains a complex and not yet fully controlled stage, particularly regarding their behaviour under Thermo-Hygro-Hydro-Mechanical coupled stress.
This research work focused on the development of rigorous experimental protocols, enabling a precise analysis of key parameters such as moisture content, strain rate, and architecture. The mechanical behaviour of the preforms was characterized and modelled under compaction/compression and relaxation stage, with strict control of the surrounding hygrothermal environment.
The results revealed threshold effects associated with moisture content, as well as variations in mechanical response depending on the strain rate. An interpretation was proposed, highlighting the role of internal fibre rearrangements and fibre to fibre interactions, according to specificities of flax fibres and to the nature of the applied loads.
Finally, the application of these findings to the manufacturing of optimized composite materials enabled experimental validation of the overall approach and led to the proposal of processing guidelines intended for industrial use. More generally, this work supports the establishment of a rigorous and predictive engineering framework for agro-based materials.
Face à l’épuisement des combustibles fossiles et à l’aggravation du changement climatique lié aux émissions de gaz à effet de serre, la recherche s’oriente de plus en plus vers la biomasse comme source d’énergie renouvelable. La pyrolyse rapide de la biomasse permet de produire une bio-huile, riche en composés oxygénés, qui nécessite une valorisation avant usage comme carburant. Parmi les procédés étudiés, l’hydrodésoxygénation (HDO) apparaît comme une solution efficace, notamment via l’utilisation de catalyseurs à base de phosphure de nickel (Ni₂P) supportés sur zéolithes. Ces catalyseurs, préparés selon différentes méthodes (imprégnation humide, imprégnation en suspension, précipitation), présentent des performances variables, les deux premières méthodes ayant donné les meilleurs résultats. La caractérisation approfondie des catalyseurs a mis en évidence l’impact des conditions de synthèse sur leur structure, leur surface spécifique et la dispersion du métal actif. Des tests catalytiques sur des composés modèles (acétone, acide acétique, m-crésol) ont montré une activité élevée de désoxygénation à haute température et pression. Des essais complémentaires avec des mélanges modèles et des bio-huiles réelles ont confirmé la sélectivité et la stabilité du Ni₂P préparé par imprégnation en suspension, conduisant à la formation d’hydrocarbures, d’esters et de composés aromatiques. Ces résultats démontrent le potentiel des catalyseurs Ni₂P pour la valorisation durable des bio-huiles, contribuant ainsi à une production de carburants alternatifs plus respectueuse de l’environnement.
Abstract
The continuing depletion of petroleum fuels and climate change linked to greenhouse gas emissions have increased energy problems, highlighting the global need for sustainable energy sources and leading to increased research interest in biomass as a renewable feedstock. Fast pyrolysis of biomass yields bio-oil, a complex mixture rich in oxygenated compounds that requires upgrading before use as fuel. Among the numerous upgrading techniques, hydrodeoxygenation (HDO) is effective and very promising. The use of suitable catalysts allows to deoxygenate and enhance fuel quality. The current research is aimed at synthesizing and evaluating nickel phosphide (Ni₂P) based catalysts supported on zeolites due to their appealing activity, selectivity, and economic efficiency. Catalysts were prepared through different methods; wetness impregnation, slurry impregnation, and precipitation with slurry and wetness impregnation proving the most effective. Detailed characterization established that synthesis protocols leave a significant impression on catalyst framework, surface area, and metal dispersion. Catalytic tests using model compounds like acetone, acetic acid, and m-cresol confirmed superior deoxygenation activities, particularly at high temperatures and pressures. Further studies using compound mixtures and real pyrolysis bio-oils confirmed the selectivity and stability of the slurry impregnation prepared Ni₂P catalyst, with the products shifted to hydrocarbons, esters, and aromatics. These results highlight the importance of synthesis conditions in the optimization of catalytic performance and the vast potential of Ni₂P catalysts in sustainable upgrading of bio-oil, towards enabling the transition to renewable fuels and a greener energy industry.
CORIA - Av. de l'Université, 76801 Saint-Étienne-du-Rouvray
Rapporteurs de la thèse
Membres du jurys
Résumé
Les aérosols, de fines particules en suspension dans l'air, ont un impact significatif sur le changement climatique en affectant l'équilibre radiatif de la Terre. Ils ont également des implications pour la santé lorsqu'ils se déposent dans les poumons. De plus, les aérosols jouent un rôle dans divers processus, tels que la production de carbone noir pour les pneus, l'incorporation dans des matériaux pour modifier leurs propriétés, et le rayonnement thermique dans les processus de combustion.
Contrôler la concentration, la taille et la morphologie de ces particules est crucial. Les diagnostics optiques sont essentiels pour l'évaluation in situ de ces propriétés, offrant des résolutions spatiales et temporelles élevées. La diffusion statique de la lumière et la diffusion dynamique de la lumière sont des processus élastiques largement utilisés pour déterminer la taille, le volume et la concentration des particules. Les techniques d'émission induite ou naturelle sont également employées pour évaluer la fraction volumique et les températures. Cependant, les diagnostics optiques conventionnels ne peuvent pas fournir d'informations sur la structure interne des particules (par exemple, l'état de graphitisation, la teneur en composés organiques) ni sur leur surface spécifique (surface de l'aérosol divisée par leur masse). Ces quantités sont d'un grand intérêt, en particulier pour évaluer les impacts toxicologiques, et dépendent fortement de la morphologie des particules.
Les avancées récentes dans les impulsions laser intenses et rapides ont permis la génération d'effets optiques non linéaires (NLO), comprenant la génération de second harmonique (SHG), la génération de troisième harmonique (THG) et la diffusion hyper-Rayleigh (HRS). Ces effets ont montré un potentiel significatif dans les biosciences et la physique fondamentale pour l'étude des phénomènes sensibles à la surface. Bien que certaines expériences aient été menées sur des particules en solution ou des nanoparticules à la surface de gouttelettes, la SHG par des nanoparticules en phase aérosol n'a pas encore été démontrée. L'objectif de cette thèse est de combler cette lacune et d'évaluer le potentiel de l’optique non linéaire pour la métrologie des particules fines en suspension dans l’air, telles que les particules de suie produites lors de la combustion incomplète des carburants.
Plus précisément, ce travail vise à explorer la SHG, la THG et la HRS générées par des particules de carbone noir et d'autres types de nanoparticules pour évaluer le potentiel d’accès à de nouveaux paramètres de mesure. Les expériences ont impliqué le développement d'un dispositif optique dédié et innovant capable d'analyser la réponse NLO résolue en temps, longueur d'onde et angle. Ce dispositif peut isoler la SHG, la THG et la HRS des autres phénomènes NLO, tels que la filamentation laser. Le dispositif optique a été calibré pour quantifier le signal généré et optimisé pour une haute sensibilité tout en évitant la génération de NLO à partir de ses propres éléments optiques.
Les résultats confirment que les particules de suie, les gouttelettes de DEHS et les nanoparticules de carbone générées par arc produisent du SHG-HRS à des intensités inférieures de plus de sept ordres de grandeur à celles de la diffusion statique de la lumière. La THG, si elle est présente, n'était pas détectable et est donc encore plus faible. La SHG-HRS dépend de la taille des agrégats et des monomères mais ne semblent pas être influencées par la teneur en carbone organique. Les expériences montrent également que la SHG-HRS augmentent linéairement avec la surface spécifique des particules. De plus, la réponse angulaire diffère fondamentalement de la diffusion statique de la lumière, présentant un caractère isotrope. Cela suggère que les aérosols sont susceptibles de générer une diffusion hyper-Rayleigh, qui s'avère prometteuse pour quantifier la surface spécifique des aerosols par des approaches in situ.
Abstract
Aerosols, fine particles suspended in the air, significantly impact climate change by affecting the Earth's radiative balance. They also have health implications when deposited in the lungs. Additionally, aerosols play a role in various processes, such as black carbon production for tires, incorporation into materials to modify their properties, and thermal radiation in combustion processes.
Controlling the concentration, size, and morphology of these particles is crucial due to their desired or undesired effects. Optical diagnostics are essential for in situ assessment of these properties, offering high spatial and temporal resolutions. Static Light Scattering and Dynamic Light Scattering are elastic processes widely used to determine particle size, volume, and concentration. Induced or natural emission techniques are also employed to assess volume fraction and temperatures. However, conventional optical diagnostics cannot provide information on the particles' internal structure (e.g., graphitization state, composition) or their specific surface area (surface of aerosol divided by their mass). These quantities are of high interest, particularly for evaluating toxicological impacts, which strongly depend on particle morphology.
Recent advancements in intense and short laser pulses have enabled the generation of nonlinear optical (NLO) effects, including Second Harmonic Generation (SHG), Third Harmonic Generation (THG), and Hyper-Rayleigh Scattering (HRS). These effects have shown significant potential in biosciences and fundamental physics for investigating surface-sensitive phenomena. While some experiments have been conducted on particles in solution or nanoparticles on droplet surfaces, SHG by nanoparticles in the aerosol phase has not yet been demonstrated. The objective of this thesis is to address this gap and evaluate the potential of NLO for the metrology of fine particles, such as soot particles produced during the incomplete combustion of fuels.
Specifically, this work aims to explore SHG, THG, and HRS by black carbon particles and other types of nanoparticles to assess new measurands. The experiments involved developing a dedicated and innovative optical setup capable of analyzing the NLO response resolved in time, wavelength, and angle. This setup can isolate SHG, THG, and HRS from other NLO phenomena, such as laser filamentation. The optical setup was calibrated to quantify the generated signal and optimized for high sensitivity while avoiding NLO generation from its own optical elements.
The results confirm that soot particles, DEHS droplets, and arc-generated carbon nanoparticles exhibit SHG/ HRS at intensities more than seven orders of magnitude smaller than static light scattering. THG, if present, was not detectable and is so even weaker. SHG and HRS depend on aggregate and monomer size but do not seem to be influenced by the organic or elemental carbon content. The experiments also show that SHG-HRS increases linearly with particle surface area, independent of particle shape and composition. Furthermore, the angular response differs fundamentally from static light scattering, exhibiting an isotropic nature. This suggests that aerosols are prone to generating Hyper-Rayleigh Scattering, which is found to be promising to quantify the specific surface area of an aerosol in situ. By providing access to this crucial information, the present work paves the way for a new class of laser-based diagnostics for aerosols.
Caractérisatiοn ultrasοnοre de suspensiοns sοlides dans un fluide visqueux
Doctorant·e
EID Moustafa
Direction de thèse
MARECHAL PIERRE (Directeur·trice de thèse)
BENAMAR AHMED (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
04/06/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
LOMC, site Prony, 53 rue de Prony, 76600 Le Havre
Rapporteurs de la thèse
CALLE SAMUEL Universite de Tours
CHASSAGNE CLAIRE DELFT UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Membres du jurys
BENAMAR AHMED,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
CALLE SAMUEL,
,
Universite de Tours
CHASSAGNE CLAIRE,
,
DELFT UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
DESPAUX GILLES,
,
UNIVERSITE MONTPELLIER 2 SCIENCES ET TECH DU LANGUEDOC
FRANKLIN HERVÉ,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
MARECHAL PIERRE,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
Résumé
Les méthodes ultrasonores sont largement utilisées dans divers domaines d’évaluation et de caractérisation de milieux multiphasiques. En particulier, les ultrasons trouvent leur application dans l’établissement de diagnostic divers produits, dont des fluides pollués (traitement des eaux usées) ou des produits alimentaires (caractérisation des lipides et des protéines), ou encore des sédiments en suspension (évaluation de la concentration et la distribution des tailles de particules). Ce travail de recherche a pour but d'établir une relation entre les signaux ultrasonores et la concentration des particules, selon la nature, de la forme et de la distribution des particules. Dans cet objectif, un dispositif expérimental a été développé et mis en œuvre, et des modèles numériques de diffusion multiple ont été traités et validés. Des mesures ultrasonores ont été réalisées pour caractériser des suspensions en écoulement dynamique, avec une instrumentation spécifique conçue pour mesurer des propriétés ultrasonores effectives telles que l'atténuation et la vitesse. Les signaux ont été acquis et moyennés en régime stationnaire via le langage Python ; le post-traitement des signaux a été réalisée dans le domaine spectral via la FFT sur les échos d’intérêt ; les propriétés ultrasonores utiles ont été déduites en fonction de la fréquence via l'atténuation et la vitesse. Des expériences ont été menées sur des particules de différentes natures : billes de verre, particules de Rilsan et particules de limon. Les conditions de mesure ont été variées : concentration, salinité, température et débit. Les résultats obtenus font état de tendances reproductibles :
• L'atténuation et la vitesse ultrasonores varient avec la concentration, respectivement de manière quadratique et linéaire.
• La salinité a un effet minimal sur l'atténuation, mais impacte significativement la vitesse.
• La température n'a aucun effet sur l'atténuation et un impact limité sur la vitesse.
• Le débit n'affecte pas directement les propriétés ultrasonores, mais il aide à comprendre les processus hydrodynamiques dans les transports sédimentaires ou les flux sous-marins.
• Les particules de géométrie non-lisse de type sédiment, limitent les variations d'atténuation et de vitesse par rapport aux géométries lisses, i.e. billes de verre ou particules de Rilsan.
• Le dispositif expérimental développé a donné des résultats fiables, permettant l'investigation de plusieurs paramètres d’influence simultanément.
De plus, les résultats expérimentaux ont été comparés aux résultats numériques basés sur les travaux de McClements, utilisant des modèles de diffusion multiple de Lloyd et Berry, Waterman et Truell et Ma et al. Les écarts entre les résultats expérimentaux et numériques ont motivé une étude hydrodynamique avancée via modélisation par éléments finis réalisée avec Comsol 2D.
Abstract
Ultrasonic methods are widely used in various fields for the evaluation and characterization of multiphase media. Ultrasound is applied in the diagnosis of various products, including polluted fluids (wastewater treatment), food products (characterization of lipids and proteins), and suspended sediments (evaluation of concentration and particle size distribution).
This research aims to establish a relationship between ultrasonic signals and particle concentration, based on the nature, shape, and distribution of the particles.
To this end, an experimental setup was developed and implemented, and numerical models of multiple scattering were processed and validated. Ultrasonic measurements were carried out to characterize suspensions under dynamic flow, using specific instrumentation designed to measure effective ultrasonic properties such as attenuation and velocity.
The signals were acquired and averaged under steady-state conditions using Python; signal post-processing was carried out in the spectral domain using FFT on the relevant echoes; the useful ultrasonic properties were deduced as a function of frequency via attenuation and velocity.
Experiments were conducted on particles of various types: glass beads, Rilsan particles, and silt particles. The measurement conditions were varied: concentration, salinity, temperature, and flow rate.
The results revealed reproducible trends:
• Attenuation and ultrasonic velocity vary with concentration, in a quadratic and linear manner, respectively.
• Salinity has a minimal effect on attenuation but significantly impacts velocity.
• Temperature has no effect on attenuation and a limited effect on velocity.
• Flow rate does not directly affect ultrasonic properties but contributes to understanding hydrodynamic processes in sediment transport or submarine flows.
• Particles with non-smooth geometries, such as sediments, limit the variations in attenuation and velocity compared to smooth geometries, i.e., glass beads or Rilsan particles.
• The developed experimental setup yielded reliable results, enabling the investigation of multiple influencing parameters simultaneously.
Moreover, the experimental results were compared with numerical results based on McClements' work, using multiple scattering models by Lloyd and Berry, Waterman and Truell, and Ma et al. The discrepancies between experimental and numerical results prompted an advanced hydrodynamic study, conducted via finite element modeling using Comsol 2D.
Caractérisatiοn in situ de zéοlithes par cοuplage LΙBS - spectrοscοpie infrarοuge : vers la quantificatiοn de l'hydrοgène
Doctorant·e
TEMBONSO Talla Sorelle
Direction de thèse
BULTEL ARNAUD (Directeur·trice de thèse)
MAUGE francoise (Co-directeur·trice de thèse)
MOREL Vincent (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
03/06/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
Salle de conférence du laboratoire CORIA
Rapporteurs de la thèse
BOUSQUET BRUNO Université de Bordeaux
DUJARDIN CHRISTOPHE Universite de Lille
Membres du jurys
BOUSQUET BRUNO,
,
Université de Bordeaux
BULTEL ARNAUD,
,
URN - Université de Rouen Normandie
DUJARDIN CHRISTOPHE,
,
Universite de Lille
MAUGE francoise,
,
UCN - Université de Caen Normandie
MOREL Vincent,
,
URN - Université de Rouen Normandie
RIVALLAN MICKAEL,
,
ROND CATHY,
,
THOMANN ANNE-LISE,
,
Université d'Orléans
Résumé
Le stockage de l'hydrogène est un enjeu majeur pour la transition énergétique. Une des voies possibles pour réaliser de manière efficace un tel stockage consiste à exploiter les propriétés des zéolithes. Les capacités de stockage doivent pouvoir être vérifiées en utilisant des techniques validées. Dans cette thèse, nous avons testé la cohérence des résultats sur cette capacité de stockage obtenues par spectroscopie infrarouge (IR) et par LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy). Plutôt que tester directement le stockage de H2 qui présente des difficultés expérimentales importantes, nous avons plutôt choisi de stocker l'hydrogène dans les zéolithes en adsorbant les molécules hydrogénées telles que la pyridine (C5H5N), l'ammoniac (NH3) et l'eau (H2O). La LIBS est une technique de caractérisation peu destructive basée sur les propriétés d'un plasma thermique produit par impulsion laser. La spectroscopie IR est une technique très utilisée pour la caractérisation des sites surfaciques des zéolithes. Expérimentalement, nous avons développé une plateforme LIBS-IR permettant de coupler la LIBS à la spectroscopie IR in situ. Avec la spectroscopie IR, nous avons quantifié les groupements OH zéolithique, les sites de Lewis et de Bronsted des zéolithes MFI (Mobil-FIve) et FAU (FAUjacites). Avec la LIBS picoseconde, nous avons mesuré le rapport Si/Al de la zéolithe FAU non activée. Avec la LIBS nanoseconde, nous avons mesuré les rapports Si/Al de la zéolithe FAU non activée, activée et/ou chargée en pyridine, ammoniac ou eau. Compte tenu des incertitudes, les rapports Si/Al obtenus sont cohérents avec les résultats donnés par la RMN et le fabriquant (UOP). Avec la LIBS et la spectroscopie IR, nous avons mesuré les rapports H/Al et les concentrations de H totales dans la zéolithe FAU activée et/ou chargée en molécules hydrogénées. Compte tenu des incertitudes, les rapports de H/Al et les concentrations de H déterminées par spectroscopie IR et par LIBS sont proches pour la zéolithe FAU activée et la zéolithe FAU activée et chargée en pyridine. Pour la zéolithe FAU chargée en ammoniac, il apparait qu'on ne quantifie probablement pas toutes les formes d'ammoniac avec la spectroscopie IR. Pour la zéolithe FAU chargée en eau, il apparaît que le plasma formé par LIBS désorbe l'eau de la pastille et cette eau est vraisemblablement adsorbée par les parois de la cellule.
Abstract
Hydrogen storage is a major issue for the energy transition. One of the possible ways to achieve such storage efficiently is to exploit the properties of zeolites. Storage capacities must be verifiable using validated techniques. In this thesis, we tested the consistency of the results on this storage capacity obtained by infrared spectroscopy (IR) and by LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy). Rather than directly testing H2 storage, which presents significant experimental difficulties, we have instead chosen to store hydrogen in zeolites by adsorbing hydrogenated molecules such as pyridine (C5H5N), ammonia (NH3) and water (H2O). LIBS is a low-destructive characterization technique based on the properties of a thermal plasma produced by laser pulse. IR spectroscopy is a widely used technique for the characterization of surface sites in zeolites. Experimentally, we have developed a LIBS-IR platform for coupling the LIBS and IR spectroscopy in situ. Using IR spectroscopy, we quantified the Lewis and Bronsted sites of the zeolites MFI (Mobil-FIve) and FAU (FAUjascites). With the picosecond LIBS, we measured the Si/Al ratio of unactivated FAU zeolite. With the nanosecond LIBS, we measured the Si/Al ratios of the unactivated, activated and/or pyridine, ammonia or water zeolite FAU. Taking into account the uncertainties, the results obtained are consistent with the results given by the NMR and the manufacturer (UOP). With LIBS and IR spectroscopy, we measured the H/Al ratios and total H concentrations in FAU zeolite activated and/or charged in hydrogenated molecules. Taking into account uncertainties, the H/Al ratios and H concentrations determined by IR spectroscopy and LIBS are close for activated FAU zeolite and pyridine-charged activated FAU zeolite. For the FAU zeolite charged with ammonia, it seems that not all forms of ammonia are quantified by IR spectroscopy. For the water-charged FAU zeolite, it seems that the plasma formed by LIBS desorbs the water of the pellet that may be adsorbed by the walls of the cell.
Dynamique de défοrmatiοn d'un réservοir de liquide servant à la stabilisatiοn d'une structure flοttante en mοuvement cοmplexe
Doctorant·e
GHOUINI Fatiha
Direction de thèse
GUILLOU Sylvain (Directeur·trice de thèse)
SEGHIR ABDELGHANI (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
02/06/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
Université de Bejaia, Algérie
Rapporteurs de la thèse
LACAZEDIEU ELISABETH Université polytechnique Hauts de France
LIBERGE ERWAN UNIVERSITE LA ROCHELLE
Membres du jurys
AMARA LYES,
,
Université de Jijel
BENAOUICHA MUSTAPHA,
,
SEGULA Engineering France
GUILLOU Sylvain,
,
UCN - Université de Caen Normandie
LACAZEDIEU ELISABETH,
,
Université polytechnique Hauts de France
LIBERGE ERWAN,
,
UNIVERSITE LA ROCHELLE
SADAOUI DJAMEL,
,
Université de Bejaia - Algérie
SEGHIR ABDELGHANI,
,
Université de Bejaia - Algérie
TOUATI MOKHTAR,
,
Université Houari Boumediene
Résumé
Le ballottement est un phénomène qui apparaît à l’intérieur des réservoirs partiellement remplis, il désigne le mouvement oscillatoire de la surface libre du liquide. Lorsque ces réservoirs sont portés par des systèmes flottants, servant à leurs stabilisations, le ballottement devient de plus en plus complexe. L’objectif de cette thèse est de modéliser la dynamique de ballottement des liquides dans des réservoirs flottants à parois déformables en IFS, sous une excitation de tangage ou de roulis. Un dispositif expérimental a été mis en œuvre afin de constituer une base de données expérimentales. Ce dispositif a pour objet d'étudier et d'analyser le ballottement sous l’effet de mouvement de tangage. Les résultats obtenus ont été exploités pour valider un modèle numérique. Celui-ci est mis en place en prenant en compte les effets de l’IFS. Un couplage partitionné est utilisé et l’évolution de la surface libre est traité par la méthode VOF. Ce modèle est validé dans le cas d’une excitation harmonique horizontale, et dans le cas d’une excitation de tangage. Le modèle est ensuite appliqué à l’étude de ballottement dans un réservoir déformable partiellement rempli, soumis aux effets gravitationnels et aux effets d'accélération des mouvements de tangage et de pilonnement.
Abstract
The sloshing is a phenomenon appears inside partially filled tanks, it refers to the oscillatory movement of the free surface of the liquid. When these tanks are carried by floating systems, used for their stabilization, the sloshing becomes more complex. The objective of this thesis is to model the dynamics of liquid sloshing in floating tanks with a deformable wall into IFS, under pitch and heave motion. An experimental scheme has been implemented to build up an experimental database. The device is designed to study and analyze the sloshing under the effets of pitch motion. The obtained results were exploited to validate a numerical model developed. The numerical model is implemented taking into account the FSI effects. A partitioned coupling is used and the evolution of the free surface is treated by the VOF method. This model is validated in the case of the horizontal harmonic excitation, and in the case of a pitch excitation. The model is then applied to studying sloshing in a partially filled deformable tank, once subjected to garvitational effects and another subject to pitch and heave motions.
Etude de Μοyens Ιnnοvants d'Améliοratiοn des Ρerfοrmances Energétiques dans le Bâtiment : Expérimentatiοn et Μοdélisatiοn
Doctorant·e
TAOUIRTE Yousra
Direction de thèse
LOUAHLIA Hasna (Directeur·trice de thèse)
EL ALAMI MUSTAPHA (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
27/05/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
Faculté des Sciences Ain Chock, Université Hassan II de Casablanca
BENHAMOU BRAHIM,
,
Université CADI AYYAD
CHOUKAIRY KHADIJA,
,
Université Sultan Moulay Slimane
EL ALAMI MUSTAPHA,
,
Université Hassan II de Casablanca
GOUNNI AYOUB,
,
Université Hassan II de Casablanca
GUALOUS Hamid,
,
UCN - Université de Caen Normandie
KRIRAA MOUNIR,
,
Université CADI AYYAD
LOUAHLIA Hasna,
,
UCN - Université de Caen Normandie
SAADANI RACHID,
,
Université Moulay Ismail
Résumé
La transition vers une construction durable et écoénergétique est un enjeu clé dans la lutte contre le changement climatique et la réduction de l’empreinte carbone du secteur du bâtiment. Pour répondre à ces défis, l’utilisation de matériaux biosourcés représente une alternative prometteuse en raison de leur faible impact environnemental et de leurs propriétés naturelles de régulation thermique et hygrométrique. Cependant, ces matériaux présentent encore des limites en matière de performance énergétique et de stabilité hygrothermique, nécessitant une optimisation pour leur intégration à grande échelle dans les constructions modernes. L’une des approches les plus innovantes dans ce domaine consiste à coupler ces matériaux avec des matériaux à changement de phase (MCP), capables d’améliorer leur inertie thermique et de stabiliser les variations d’humidité.
Dans cette étude, deux types de matériaux biosourcés ont été sélectionnés et analysés : la terre allégée, utilisée comme isolant, et la bauge ; un matériau porteur. Une caractérisation expérimentale a été menée pour évaluer leurs propriétés thermiques et hygrométriques, révélant des différences notables entre ces deux matériaux. Alors que la terre allégée se distingue par sa faible conductivité thermique, assurant une bonne isolation thermique, la bauge possède une capacité de régulation hygrométrique permettant une meilleure gestion de l’humidité.
L’étude des transferts couplés de chaleur et d’humidité a mis en évidence l’importance des flux thermiques et hygriques dans la performance énergétique des parois. Un modèle numérique a été développé pour simuler ces transferts dans différentes configurations de murs et valider les observations expérimentales. Les simulations ont montré que l’isolation intérieure entraîne une perte d’énergie plus importante que l’isolation extérieure, bien qu’elle permette un meilleur stockage hygrométrique, contribuant ainsi à la stabilité de l’humidité intérieure et à la réduction des risques de condensation. L’ajout de MCP dans la bauge a permis de modifier ses propriétés thermiques et hygrométriques. Les MCP ont contribué à réduire la conductivité thermique et à augmenter la capacité de stockage de chaleur, améliorant ainsi l’inertie thermique des parois. En parallèle, ils jouent un rôle clé dans l’absorption et la restitution de l’humidité, ce qui limite les fluctuations hygrométriques et améliore le confort intérieur.
L’évaluation des performances des murs intégrant des MCP a révélé que leur composition et disposition influencent directement leur efficacité énergétique. Trois configurations de murs ont été étudiées. La première configuration, composée uniquement d’une couche structurelle et d’une isolation, présente les performances les plus limitées en matière de régulation thermique et hygrométrique. La seconde configuration intègre 20 % de MCP dans la couche structurelle, permettant ainsi une amélioration significative de l’absorption et de la désorption de l’humidité. Enfin, la troisième configuration associe un panneau Energain avec MCP, une couche structurelle et une isolation, ce qui permet une réduction efficace des fluctuations thermiques et hygrométriques. Cette dernière solution s’est révélée trois fois plus performante que la première en termes de stabilisation thermique.
En combinant deux approches expérimentale et modélisation numérique, cette recherche contribue à l’amélioration des stratégies de construction biosourcée, en proposant des solutions innovantes pour renforcer l’efficacité énergétique des bâtiments tout en favorisant une construction plus durable et respectueuse de l’environnement.
Abstract
The transition to sustainable, energy-efficient construction is a key issue in the fight against climate change and the reduction of the building sector's carbon footprint. To meet these challenges, the use of bio-sourced materials represents a promising alternative, thanks to their low environmental impact and natural thermal and hygrometric regulation properties. However, these materials still have limitations in terms of energy performance and hygrothermal stability, requiring optimization for their large-scale integration into modern construction. One of the most innovative approaches in this field involves coupling these materials with phase-change materials (PCMs), capable of improving their thermal inertia and stabilizing humidity variations.
In this study, two types of bio-sourced materials were selected and analyzed: lightened earth, used as insulation, and wattle and daub, a load-bearing material. Experimental characterization was carried out to assess their thermal and hygrometric properties, revealing significant differences between the two materials. While lightened earth is characterized by its low thermal conductivity, ensuring good thermal insulation, wattle and daub has a capacity for hygrometric regulation, enabling better moisture management.
The study of coupled heat and moisture transfers has highlighted the importance of heat and moisture flows in the energy performance of walls. A numerical model was developed to simulate these transfers in different wall configurations and validate experimental observations. The simulations showed that interior insulation leads to greater energy loss than exterior insulation, although it also provides better hygrometric storage, contributing to interior humidity stability and reducing the risk of condensation. The addition of PCM to the wadding modified its thermal and hygrometric properties. The PCMs helped to reduce thermal conductivity and increase heat storage capacity, thus improving the thermal inertia of the walls. At the same time, they play a key role in the absorption and restitution of humidity, limiting hygrometric fluctuations and improving interior comfort.
Performance evaluation of walls incorporating PCMs revealed that their composition and layout directly influence their energy efficiency. Three wall configurations were studied. The first configuration, consisting solely of a structural layer and insulation, offers the most limited performance in terms of thermal and hygrometric regulation. The second configuration incorporates 20% PCM in the structural layer, providing a significant improvement in moisture absorption and desorption. Finally, the third configuration combines an Energain panel with MCP, a structural layer and insulation, effectively reducing thermal and hygrometric fluctuations. This last solution proved to be three times more effective than the first in terms of thermal stabilization.
By combining two approaches, experimental and numerical modeling, this research contributes to the improvement of biosourced construction strategies, proposing innovative solutions to enhance the energy efficiency of buildings while promoting more sustainable and environmentally-friendly construction.
Μοdélisatiοn du changement de phase sοlide/liquide
Doctorant·e
RODRIGUEZ SARITA JUAN
Direction de thèse
Date de la soutenance
26/05/2025 à 15:00
Lieu de la soutenance
Bâtiment Magellan, 1ere étage, MA-J-R1-01
Rapporteurs de la thèse
Membres du jurys
Résumé
Cette recherche explore la modélisation et la résolution numérique des transitions de phase solide-liquide à travers le problème de Stefan, un modèle essentiel pour comprendre les dynamiques des changements de phase. L'étude examine à la fois des approches déterministes et stochastiques pour résoudre le problème de Stefan, mettant particulièrement en avant l'efficacité des représentations de Feynman-Kac dans l'approximation des champs de température en présence d'incertitudes. Une comparaison entre les méthodes stochastiques et la méthode des éléments finis (FEM) révèle que les deux approches offrent une précision comparable, avec une flexibilité accrue des méthodes stochastiques pour gérer les variabilités des propriétés des matériaux et des conditions aux limites.
Une partie importante de ce travail est consacrée à l'optimisation des géométries et au partitionnement des domaines pour améliorer la gestion thermique dans les applications impliquant des matériaux à changement de phase (PCM). Ces matériaux, reconnus pour leur capacité de stockage de chaleur latente, sont étudiés pour leur utilisation dans le refroidissement électronique et d'autres systèmes thermiques. L'étude intègre des méthodes de couplage multi-domaines et d'optimisation de formes pour traiter les complexités de la modélisation des PCM dans des géométries irrégulières.
Les résultats démontrent le potentiel de combiner les méthodes FEM et stochastiques pour améliorer la précision des simulations et l'efficacité computationnelle dans les problèmes de changement de phase. Les applications dans la conception de systèmes thermiques basés sur des PCM, notamment pour les composants électroniques et la réfrigération, soulignent les implications pratiques de ce travail.
Abstract
This research explores the modeling and numerical resolution of solid-liquid phase transitions through the Stefan problem, a critical model in understanding phase change dynamics. The study investigates both deterministic and stochastic approaches to solve the Stefan problem, particularly highlighting the effectiveness of Feynman-Kac representations in approximating temperature fields under uncertainties. A comparison between stochastic methods and the Finite Element Method (FEM) reveals that both approaches yield comparable accuracy, with stochastic methods offering additional flexibility in managing variability in material properties and boundary conditions.
A significant portion of this work is devoted to optimizing the geometry and partitioning of domains to enhance thermal management in applications involving Phase Change Materials (PCMs). These materials, known for their latent heat storage capabilities, are investigated for use in electronic cooling and other thermal systems. The study incorporates multi-domain coupling methods and shape optimization to address the complexities of modeling PCMs in irregular geometries.
The results demonstrate the potential of combining FEM and stochastic methods to improve simulation accuracy and computational efficiency in phase change problems. Applications in the design of PCM-based thermal systems, particularly for electronic components and refrigeration, highlight the practical implications of this work.
Simulatiοn de la gazéificatiοn de la biοmasse pοur la prοductiοn d’hydrοgène οu d’électricité sοus Aspen plus et analyse énergétique et exergétique du prοcédé
Doctorant·e
LOWESKI FELIZ MINDA
Direction de thèse
Date de la soutenance
22/05/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
INSA ROUEN
Rapporteurs de la thèse
Membres du jurys
Résumé
L'augmentation continue de la consommation de combustibles fossiles et son impact environnemental négatif ont conduit à un renforcement significatif des efforts de recherche et du développement dans le domaine des énergies renouvelables. La biomasse émerge comme une alternative renouvelable pour répondre à ce problème. La gazéification de la biomasse est un procédé thermochimique avec un potentiel pour la production d'électricité et d'hydrogène.
Cette thèse examine en détail comment la gazéification de la biomasse peut être intégrée dans un système de production d'électricité par cycle combiné, en utilisant le logiciel Aspen Plus. On a aussi développé une méthode pour produire plus d'hydrogène en utilisant des réactions chimiques spécifiques, comme le craquage des goudrons, le reformage du méthane à la vapeur et la réaction de conversion du gaz à l'eau (WGS). L'étude est basée sur des résultats expérimentaux et prend en compte la formation et la réduction des goudrons, qui sont des sous-produits de la gazéification.
Les résultats montrent que la gazéification avec la vapeur d'eau comme agent de gazéification produit le plus d'hydrogène par comparaison avec CO2. Après optimisation, la production d'hydrogène a augmenté de 1,9 à 35 g de H2/kg de biomasse pour l'expérience avec du sable et du CO₂. Avec du biochar et du CO₂, la production est passée de 2,3 à 31 g de H2 /kg de biomasse. La combinaison de biochar et de vapeur d'eau a donné les meilleurs résultats, avec une augmentation de 8 à 58,8 g de H2 / kg de biomasse.
Parmi les différentes configurations étudiées, la gazéification avec de la vapeur d'eau et la pyrolyse à haute température ont produit le plus d'électricité, environ 2,45MW. La gazéification avec du sable et du CO₂ a produit environ 1,90 MW, et la combinaison de sable et de biochar environ 1,5 MW.
Abstract
The continuous rise in fossil fuel consumption and its associated environmental impacts have spurred significant research and development efforts toward renewable energy sources. Among these, biomass has emerged as a promising renewable alternative to help mitigate these challenges. Biomass gasification, a thermochemical conversion process, holds strong potential for the production of electricity and hydrogen.
This thesis presents a thermodynamic analysis of biomass gasification integrated into a combined cycle, modeled using Aspen Plus software. An optimization strategy for hydrogen production is also developed, incorporating key catalytic processes such as tar catalytic cracking, steam methane reforming, and the water-gas shift reaction. The modeling approach is grounded in experimental data and takes into account both the formation and reduction of tar compounds.
The results obtained in this study show that steam gasification produces the highest hydrogen yield than CO2 gasification. Key processes, such as tar catalytic cracking, steam methane reforming, and the water-gas shift reaction, were utilized to enhance hydrogen production. After optimization, the hydrogen production for the sand-CO₂ experiment increased from 1,9 to 35 g H₂/kg of biomass. With biochar and CO₂, production rose from 2,3 to 31 g H₂/kg, while the biochar and water vapor combination produced the highest yield, with an increase from 8 to 58,8 g H₂/kg of biomass.
Among the various configurations studied, water vapor gasification and high-temperature pyrolysis stand out for producing the highest net electricity, reaching approximately 2,45 MW. In comparison, sand-CO₂ gasification generates around 1,90 MW, while the sand-biochar combination achieves about 1,5 MW.
Study οf the degradatiοn οf ice-cemented sediment prοduced by landslides intο mοlards
Doctorant·e
BECK Calvin
Direction de thèse
ERTLEN-FONT Marianne (Directeur·trice de thèse)
CONWAY SUSAN (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
16/05/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
Université de Caen, Campus 1
Rapporteurs de la thèse
BERTRAN PASCAL Université de Bordeaux
LEBOURG THOMAS Université côte d'Azur
Dans cette thèse, j'ai eu pour objectif d'élargir la compréhension d’objets géomorphologiques appelés molards - des monticules coniques de débris rocheux que l'on peut trouver dans les dépôts suite à un glissement de terrain en environnement périglaciaire. Si la glace présente dans les versants montagneux se dégrade en raison des tendances actuelles du changement climatique, le déclenchement de ruptures de versant risque d'être plus fréquents. Les molards proviendraient de morceaux de pergélisol cimentés par la glace et transportés par le glissement de terrain, qui se dégradent en monticules coniques au cours du temps. Ils sont susceptibles d’indiquer la présence d'une zone de pergélisol discontinu au niveau de la zone de rupture. Pour mieux comprendre les processus physiques qui conduisent à la formation des molards et la manière dont ces processus déterminent la forme finale des molards, j'ai étudié la dégradation de blocs débris rocheux cimentés par de la glace dans des conditions de laboratoire contrôlées. Pour étudier la répartition des molards dans les dépôts de glissement de terrain, leurs paramètres de forme individuels et leur composition lithologique, j'ai étudié in-situ sept glissements de terrain présentant des molards. J'ai constaté que les surfaces de rupture du bloc initial, la composition du matériau et le lieu de sa dégradation déterminent la forme et la taille des molards qui en résultent. Le processus de dégradation dominant du bloc initial cimenté par la glace dépend de la complexité du bloc gelé en cours de dégradation, en particulier de la teneur en matériau fin et de la teneur en glace, qui déterminent ensuite la morphologie finale. En dégradant des blocs initiaux de sédiments cimentés par la glace de CO2 et de H2O sous pression martienne, je constate que les molards peuvent également se former par des processus de sublimation, ce qui corrobore les rapports faisant état de candidats molards sur d'autres corps planétaires.
Abstract
In this thesis, I aim to broaden the understanding of geomorphological features known as permafrost molards - conical mounds of loose debris that can be found in landslide deposits in periglacial environments. If ground ice degrades in mountain slopes due to current climate change trends this can result in more frequent slope failures. Since molards are proposed to originate from ice-cemented blocks of debris being transported within the landslide material and degrade into conical mounds over time, they indicate the presence of an area of discontinuous permafrost at the level of the detachment zone. To better understand the physical processes leading to the formation of molards and how these processes determine the final molard shape, I studied the degradation of ice-cemented blocks under controlled laboratory conditions. To investigate the molards’ distribution within the landslide deposits, their individual shape parameters and their material composition, I studied seven molard landslides. I found that the initial block’s fracture surfaces, material composition, and the location of its degradation determine the resulting molards’ shape and size. The dominant degradation process of the initial ice-cemented block depends on the complexity of the degrading material, especially the content of the fine material and ice content which then determines the final morphology. By degrading initial CO2 and H2O ice-cemented blocks of sediment under martian pressure, I find that molards can also form by sublimation processes, therefore supporting the reports of molard candidates on other planetary bodies.
Ιmpact du magnétisme sur les prοpriétés thermοélectriques des thiοspinelles
Doctorant·e
EL HABER Serge
Direction de thèse
HEBERT Sylvie (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
07/04/2025 à 14:30
Lieu de la soutenance
CRISMAT - salle de réunion Batiment G
Rapporteurs de la thèse
BEAUDHUIN MICKAËL Université de Montpellier
KABBOUR HOURIA Nantes Université
Membres du jurys
AMMAR SOUAD,
,
Université Paris Cité
BEAUDHUIN MICKAËL,
,
Université de Montpellier
HEBERT Sylvie,
,
ENSICAEN
JURASZEK JEAN,
,
URN - Université de Rouen Normandie
KABBOUR HOURIA,
,
Nantes Université
Résumé
L’étude réalisée s’est concentrée sur l’analyse des couplages entre la magnétorésistance (MR) et le magnétoSeebeck (MTEP) dans trois composés à base de chalcogénures : FeCr2S4, CuCr2S4 et Fe0.52In2.32S4. Ces matériaux ont été sélectionnés en raison de leurs propriétés magnétiques et de transport intéressantes, particulièrement en présence d'un champ magnétique. Le composé FeCr2S4, ferrimagnétique avec une transition magnétique à 176 K, présente une magnétorésistance négative significative (MR ≈ -20 % à TN). À cette MR s’ajoute un MTEP positif notable, qui n’est pas directement associé à une perte d’entropie sous champ magnétique, mais plutôt à des effets de modification de la structure de bande. En appliquant la formule de Mott, une relation claire entre la MR et le MTEP a été établie, similaire à celle observée dans des systèmes métalliques comme les multicouches ou nanofils métalliques. Une particularité importante a été l’augmentation du facteur de puissance (PF) sous champ magnétique, avec une amélioration de plus de 80 % autour de la température de transition magnétique. Quant au composé CuCr2S4, ferromagnétique, il présente une transition à environ 375 K, mais aucune modification significative de la résistivité ou du coefficient Seebeck n’a été observée à la température de Curie. La magnétorésistance est faible, et les propriétés de transport suivent un comportement métallique classique. Cependant, un MTEP négatif a été enregistré en dessous de 100 K, avec une valeur de -25 à -30 %, qui pourrait être lié à une transition vers un état magnétique non colinéaire rapport récemment dans la littérature. Ce résultat préliminaire suggère que des effets entropiques spécifiques pourraient être associés à ce MTEP négatif. Enfin, Fe0.52In2.32S4 présente un comportement de type "verre de spin", avec une transition à basse température (Tf ≈ 4.5 K). Ce matériau semi-conducteur montre une résistivité maximale à 5 K, qui chute rapidement à température ambiante. Le coefficient Seebeck présente une saturation à environ 200 K, puis diminue avec l'augmentation du taux de porteurs. À des températures plus basses, il suit un comportement de type ‘Variable Range Hopping’. Une magnétorésistance positive significative (+67 % sous 9 T à 5 K) est observée en dessous de 50 K, accompagnée d’un MTEP élevé et positif. Comme pour FeCr2S4, une relation étroite entre la MR et le MTEP a été identifiée, validant le modèle de Mott. Les résultats obtenus pour ces trois matériaux mettent en évidence des couplages intéressants entre MR et MTEP dans ces thiospinelles.
Abstract
The study focused on the analysis of the couplings between magnetoresistance (MR) and magneto-Seebeck thermopower (MTEP) in three chalcogenide-based compounds: FeCr2S4, CuCr2S4 and Fe0.52In2.32S4. These materials were selected for their interesting magnetic and transport properties, particularly in the presence of a magnetic field. The FeCr2S4 compound, ferrimagnetic with a magnetic transition at 176 K, exhibits a significant negative magnetoresistance (MR ≈ -20% at TN). On top of this MR, a notable and positive MTEP, which is not directly associated with entropy loss under magnetic field, but rather with band structure modification effects has been observed. By applying Mott's formula, a clear relationship between MR and MTEP was established, similar to the one observed in metallic systems such as metallic multilayers or nanowires. An important feature was the increase in power factor (PF) under magnetic field conditions, with an improvement of over 80% around the magnetic transition temperature. As for the ferromagnetic CuCr2S4 compound, it shows a transition at around 375 K, but no significant change in resistivity or Seebeck coefficient was observed at the Curie temperature. Magnetoresistance is low, and transport properties follow classic metallic behavior. However, a negative MTEP was recorded below 100 K, with a value of -25 to -30%, which could be linked to a transition to a non-collinear magnetic state, recently reported in the literature. This preliminary result suggests that specific entropic effects could be at the origin of the negative MTEP. Finally, Fe0.52In2.32S4 exhibits a spin-glass-like behavior, with a low-temperature transition (Tf ≈ 4.5 K). This semiconductor material shows a maximum resistivity at 5 K, which drops rapidly at room temperature. The Seebeck coefficient shows saturation at around 200 K, and then decreases with increasing carrier ratio. At lower temperatures, it follows a typical Variable Range Hopping behavior. A significant positive magnetoresistance (+67% under 9 T at 5 K) is observed below 50 K, accompanied by a large and positive MTEP. As with FeCr2S4, a close relationship between MR and MTEP was identified, validating Mott's model. The results obtained for these three materials highlight interesting couplings between MR and MTEP in these thiospinels.
Simulatiοn numérique de la cοmbustiοn diphasique dans les écοulements supersοniques
Doctorant·e
KISSEL FLORIAN
Direction de thèse
Date de la soutenance
04/04/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
CNRS UMR 6614 – CORIA Université de Rouen Site Universitaire du Madrillet 675, avenue de l'Université BP 12 76801 SAINT ETIENNE DU ROUVRAY CEDEX
Rapporteurs de la thèse
Membres du jurys
Résumé
Les technologies de vol supersonique et hypersonique sont stratégiques pour la prochaine génération de transport atmosphérique (avions suborbitaux) et des applications de défense, notamment grâce aux superstatoréacteurs ou scramjets. Ces derniers nécessitent une compréhension approfondie de leur fonctionnement, et les outils numériques, tels que les simulations d’écoulements compressibles et réactifs, sont devenus suffisamment matures pour relever ces défis. Dans ce cadre, le code SiTCom-B a été utilisé pour simuler deux configurations de flamme diphasique supersonique alimentées en kérosène à l’aide de simulations aux grandes échelles (SGE). Une approche Eulérienne Lagrangienne a permis de coupler la phase gazeuse et la phase liquide dispersée. Ce travail de thèse commence par une revue des mécanismes cinétiques appliqués au kérosène, modélisé par du N-décane. Un nouveau mécanisme cinétique squelettique a été développé pour mieux prédire le temps d’allumage, clé de la stabilisation des flammes. Par ailleurs, le solveur lagrangien a été amélioré pour modéliser le comportement des petites gouttes dans des écoulements chauds et compressibles, en intégrant des corrélations pour la traînée et un modèle d’évaporation. Une méthode semi-implicite a également été mise au point pour réduire les temps de calcul liés aux mécanismes cinétiques. La première configuration étudiée, en 3D, s’inspire du brûleur supersonique de Cheng, avec substitution de l’hydrogène par du kérosène, injecté sous forme gazeuse ou liquide. L’injection du kérosène est entourée par un écoulement co-courant supersonique d’air vicié, assurant la stabilisation de la flamme. À une richesse globale de 0.5, trois mécanismes cinétiques ont été utilisés : deux issus de la littérature et un développé dans cette thèse. L’étude a analysé l’impact du temps d’auto-allumage, de la taille des gouttes, et des régimes de combustion sur la stabilisation de la flamme. Les résultats montrent que, quelle que soit la phase du kérosène, la structure de la flamme est majoritairement dominée par un régime de diffusion, bien qu’un régime prémélangé riche ait également été observé localement. La seconde configuration concerne une cavité dans un superstatoréacteur (L/D = 5.625). Les simulations montrent que la cavité favorise l’évaporation et le mélange du kérosène grâce à la recirculation. L’hydrogène injecté en amont est crucial pour l’allumage, grâce à sa faible température d’inflammation. Les comparaisons avec les données expérimentales montrent une bonne concordance dans la cavité et en amont, bien que des écarts subsistent en aval, soulignant le besoin d’améliorer la modélisation de la couche limite.
Abstract
Supersonic and hypersonic flight technologies are strategic for the next generation of atmospheric transport (suborbital aircraft) and defense applications, particularly through the use of scramjets or supersonic combustion engines. These engines require a deep understanding of their operation, and numerical tools, such as simulations of compressible and reactive flows, have become sufficiently advanced to tackle these challenges. In this context, the SiTCom-B code was used to simulate two configurations of supersonic two phase flames fueled by kerosene using Large Eddy Simulations (LES). An Eulerian-Lagrangian approach was employed to couple the gas phase with the dispersed liquid phase. This PhD work begins with a review of kinetic mechanisms applied to kerosene, modeled as n-decane. A new skeletal kinetic mechanism was developed to better predict the ignition delay time, a key factor in flame stabilization. Additionally, the Lagrangian solver was enhanced to model the behavior of small droplets in hot and compressible flows by incorporating correlations for droplet drag and an evaporation model. A semi-implicit method was also developed to reduce computation times associated with kinetic mechanisms. The first configuration studied, in 3D, is inspired by Cheng’s supersonic burner, with hydrogen replaced by kerosene, injected in either gaseous or liquid form. The sonic injection of kerosene is surrounded by a supersonic co-flow of vitiated air, ensuring flame stabilization. At a global equivalence ratio of 0.5, three kinetic mechanisms were used : two from the literature and one developed in this thesis. The study analyzed the impact of ignition delay time, droplet size, and combustion regimes on flame stabilization. The results show that, regardless of the kerosene phase, the flame structure is predominantly governed by a diffusion regime, although a locally rich premixed regime was also observed. The second configuration focuses on a cavity in a scramjet engine (L/D = 5.625). Simulations show that the cavity enhances kerosene evaporation and mixing through recirculation. Hydrogen injected upstream is crucial for ignition due to its low ignition temperature. Comparisons with experimental data show good agreement within the cavity and upstream, although discrepancies remain downstream, highlighting the need for improved boundary layer modeling.
Dévelοppement d'un pοtentiel mοdèle ab initiο par la méthοde de perturbatiοn Van Vleck pοur l'étude spectrοscοpique de mοlécule Ak-Rg
Doctorant·e
HOCHARD Erwan
Direction de thèse
GERVAIS BENOIT (Directeur·trice de thèse)
DOUADY Julie (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
03/04/2025 à 15:00
Lieu de la soutenance
Université de Caen - Salle des thèses
Rapporteurs de la thèse
DULIEU OLIVIER Université Paris Saclay
JEANMAIRET GUILLAUME Sorbonne Université
Membres du jurys
DOUADY Julie,
,
UCN - Université de Caen Normandie
DULIEU OLIVIER,
,
Université Paris Saclay
GERVAIS BENOIT,
,
UCN - Université de Caen Normandie
JEANMAIRET GUILLAUME,
,
Sorbonne Université
LABEYE MARIE,
,
ENS-PSL
VIEL ALEXANDRA,
,
UNIVERSITE RENNES 1
Résumé
Dans cette thèse, nous développons un modèle potentiel ab initio basé sur la méthode de perturbation de Van Vleck pour l’étude spectroscopique des molécules de type alcalin-gaz rare (Ak-Rg). En combinant la théorie des perturbations avec des méthodes avancées de modélisation, nous construisons des potentiels d’interaction précis permettant d’analyser la structure électronique et les propriétés spectroscopiques des complexes moléculaires étudiés. Une attention particulière est portée à la corrélation cœur-valence et aux effets relativistes, essentiels pour une description rigoureuse des interactions interatomiques impliquant des atomes lourds. Nous explorons l’applicabilité du modèle dans le contexte de la spectroscopie des états excités, en mettant en avant les niveaux vibrationnels et les transitions électroniques des molécules Ak-Rg. Les résultats obtenus sont comparés aux données expérimentales et aux calculs ab initio existants, soulignant la pertinence et la précision de la méthode développée. Cette approche ouvre de nouvelles perspectives pour la modélisation des interactions complexes dans les systèmes moléculaires impliquant des alcalins et des gaz rares.
Abstract
In this thesis, we develop an ab initio potential model based on Van Vleck perturbation theory for the spectroscopic study of alkali–rare gas (Ak-Rg) molecules. By combining perturbation theory with advanced modeling methods, we construct accurate interaction potentials to analyze the electronic structure and spectroscopic properties of the studied molecular complexes. Special attention is given to core-valence correlation and relativistic effects, which are crucial for a rigorous description of interatomic interactions involving heavy atoms. We explore the applicability of the model in the context of excited-state spectroscopy, emphasizing the vibrational levels and electronic transitions of Ak-Rg molecules. The obtained results are compared with experimental data and existing ab initio calculations, highlighting the relevance and accuracy of the developed method. This approach opens new perspectives for modeling complex interactions in molecular systems involving alkali and rare gas elements.
Etude de la dynamique et des cοnséquences d'une fuite massive d'air cοmprimé depuis un réservοir de stοckage immergé
Doctorant·e
DEBERNE CAMILLE
Direction de thèse
Date de la soutenance
18/03/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
CORIA, Avenue de l'Université, 76801 Saint-Étienne-du-Rouvray
Rapporteurs de la thèse
Membres du jurys
Résumé
L'essor des nouvelles technologies de stockage d'énergie immergées, telles que les systèmes de stockage d'énergie par air comprimé sous-marin (UWCAES), nécessite la réalisation d'études de risques afin d'identifier les éventuels accidents liés aux contraintes mécaniques élevées du milieu marin. En particulier, la rupture de la conduite reliant la plateforme de conversion d'énergie aux réservoirs de stockage sous-marins pourrait entraîner un rejet massif d'air à une grande profondeur dans l'eau, qui remonterait rapidement à la surface sous l'effet de la poussée d'Archimède.
Dans ces travaux, une méthodologie est proposée pour décrire ce scénario d'incident et prédire ses impacts. En raison de la multiplicité des mécanismes en jeu, différentes zones d'étude sont identifiées en fonction des propriétés spécifiques de l'écoulement qui les caractérisent. Divers outils sont utilisés pour modéliser avec précision l'écoulement de l'air dans chaque zone. Une attention particulière est portée au panache de bulles afin d'en fournir une description à la fois macroscopique et microscopique.
Tout d'abord, un modèle mathématique est développé pour estimer le débit massique d'air comprimé émanant d'une fuite massive depuis un réservoir de stockage immergé, ainsi que son temps de vidange. Ensuite, la dynamique de bulles d'air montantes isolées est analysée par la simulation numérique directe des équations de Navier-Stokes diphasiques, à l'aide du code interne \textit{Archer}. Par la suite, le panache de bulles est modélisé au moyen d'une approche numérique basée sur un modèle de bilan de population. Enfin, la méthodologie établie est appliquée à une étude de cas réaliste afin de mettre en évidence les principaux résultats obtenus.
Abstract
The recent development of new submerged energy storage technologies, such as UnderWater Compressed Air Energy Storage (UWCAES) systems, necessitates risk analysis studies to address potential accidents that may arise due to the significant mechanical constraints of the seawater environment. For example, a rupture in the riser connecting the energy conversion platform to the underwater storage tanks could result in a substantial release of air at a great depth into the seawater, which would rapidly ascend to the surface due to buoyancy.
In this work, a methodology is proposed to describe this incident scenario and predict its impacts. Since the governing mechanisms vary during the rise, distinct zones are identified where the airflow exhibits different characteristics. Various tools are used to accurately model the airflow in each zone, with special attention given to the bubble plume to provide both a macroscopic and microscopic description.
First, a mathematical model is developed to predict the mass flow rate of compressed air from a massive leak in a submerged storage tank, as well as its discharge time. Second, the dynamics of isolated rising air bubbles in initially quiescent water are investigated through direct numerical simulation of the two-phase Navier-Stokes equations using the in-house code \textit{Archer}. Subsequently, the entire bubble plume is modeled by means of a computational approach based on the population balance modeling framework. Lastly, the established methodology is applied to a realistic case to highlight the key findings.
La prise de conscience croissante des enjeux environnementaux au cours des dernières décennies a mis en évidence le besoin urgent d'alternatives durables aux ressources fossiles, en raison du réchauffement climatique, des émissions de gaz à effet de serre (GES) et de l'épuisement des réserves fossiles. L'industrie chimique, dépendante des matières premières pétrolières, contribue de manière significative aux émissions de GES, exacerbant les défis environnementaux et soulevant des inquiétudes concernant la sécurité des ressources. La biomasse, ressource renouvelable et carboneutre, joue un rôle clé dans la production de biocarburants pour le transport, l'électricité et la chaleur.
Parmi les matériaux dérivés de la biomasse, les huiles végétales (HV) et leurs esters méthyliques d'acides gras (EMAG) sont d'une grande importance en raison de leur disponibilité, renouvelabilité et polyvalence chimique. Leur modification, notamment par époxydation, transforme les chaînes d'acides gras insaturés en groupes époxy réactifs, permettant la production de polymères, revêtements, colles et autres matériaux de haute valeur biologique.
La méthode de Prileschajew, bien que la plus étudiée, présente des inconvénients comme des réactions secondaires réduisant le rendement et la sélectivité, ainsi que des préoccupations sur la sécurité thermique lors de l'utilisation de peracides puissants. Cette étude se concentre sur l'époxydation des HV et de leurs EMAG pour améliorer l'efficacité, minimiser les réactions secondaires et améliorer la stabilité thermique en utilisant de l'acide perpropionique et le catalyseur solide Amberlite IR-120. Elle compare les comportements structuraux et cinétiques de différentes huiles et dérivés, développe un modèle cinétique fiable et l'étend à diverses huiles végétales, apportant des perspectives sur la valorisation de la biomasse.
L'étude se concentre sur l'huile de coton (HC) et son ester méthylique (HC-EMAG). Les transformations des groupes fonctionnels et différences structurelles entre HC et HC-EMAG ont été caractérisées par FTIR, RMN, SEC et titration. Une analyse cinétique comparative a révélé que la structure en étoile à trois bras de la HC améliore la vitesse d'époxydation par rapport à la structure linéaire de la HC-EMAG.
Une analyse détaillée des modifications fonctionnelles et structurales a été réalisée pour mieux comprendre les voies de réaction et les réactions secondaires. Un modèle cinétique robuste a été développé pour décrire l'époxydation et l'ouverture de l'anneau de la HC et HC-EMAG, en tenant compte des effets de transfert de masse et de la nature biphasique du système. Des méthodes bayésiennes ont permis une estimation précise des paramètres, avec une forte concordance avec les données expérimentales.
En s'appuyant sur ce modèle, la recherche a été étendue à l'huile de soja (HS), l'huile de lin (HL) et leurs EMAG pour comparer leurs cinétiques d'époxydation et transformations structurelles. La HC a montré la vitesse d'époxydation la plus élevée, suivie de la HS et HL, avec des tendances similaires dans leurs dérivés EMAG. Bien que la HL contienne plus de doubles liaisons, sa vitesse d'époxydation est réduite par la présence d'acide linolénique. Les EMAG ont présenté une relation linéaire plus forte entre les concentrations de doubles liaisons et les vitesses de réaction, probablement en raison de sites réactifs plus accessibles.
Cette étude établit l'acide perpropionique comme un agent oxydant supérieur pour l'époxydation. Le modèle cinétique développé apporte un cadre précieux pour comprendre la dynamique de l'époxydation, contribuant à la valorisation de la biomasse par la production d'huiles végétales époxydées et leurs dérivés.
Abstract
Increasing environmental awareness has underscored the need for sustainable alternatives to fossil-based resources due to global warming, GHG emissions, and the depletion of fossil reserves. The chemical industry, heavily reliant on petroleum-derived feedstocks, significantly contributes to GHG emissions, exacerbating environmental challenges and raising concerns about resource security and market volatility. Biomass, a renewable and carbon-neutral resource, has emerged as a key player in producing biofuels for transportation, electricity, and heat. Among biomass-derived materials, vegetable oils (VOs) are widely recognized for their availability, renewability, and chemical versatility. Their modification, particularly via epoxidation, transforms unsaturated fatty acids into reactive epoxide groups, facilitating the production of bio-based polymers, coatings, adhesives, and other high-value materials.
Although various epoxidation methods exist, the Prileschajew method is the most studied, despite drawbacks such as side reactions like ring-opening, which reduce yield and selectivity, and safety concerns when using strong peracids like peracetic and performic acids. This study investigates the epoxidation of vegetable oils (VOs) and their fatty acid methyl esters (VO-FAMEs), addressing key challenges like improving reaction efficiency, minimizing side reactions, and enhancing thermal stability. Using perpropionic acid and Amberlite IR-120 as a solid acid catalyst, the study demonstrates superior performance compared to performic acid. The research compares the structural and kinetic behaviors of different oils and their derivatives, developing a reliable kinetic model and expanding its application to various vegetable oils.
The study initially focuses on cottonseed oil (CSO) and its FAME (CSO-FAME). Functional group transformations and structural differences between CSO and CSO-FAME were characterized through FTIR, NMR, SEC, and titration. A comparative analysis of epoxidation kinetics between CSO and CSO-FAME was conducted, revealing that CSO’s three-armed star structure enhances the epoxidation rate compared to the linear structure of CSO-FAME.
In the second part, a detailed structural analysis was performed to monitor functional group modifications and structural changes, providing insights into reaction pathways and side reactions. A robust kinetic model describing epoxidation and ring-opening reactions of CSO and CSO-FAME was developed, incorporating mass transfer effects and the biphasic nature of the reaction system. Bayesian methods were employed for parameter estimation, achieving high precision and strong alignment with experimental data.
The research further explored soybean oil (SBO), linseed oil (LSO), and their FAMEs in the third part, systematically comparing their epoxidation kinetics and structural transformations. The results showed that CSO exhibited the highest epoxidation rate, followed by SBO and LSO, with similar trends in their FAME derivatives. Despite LSO containing more double bonds, its epoxidation rate was hindered by linolenic acid composition. FAMEs exhibited a stronger linear relationship between initial double bond concentrations and reaction rates, likely due to more accessible reactive sites and reduced steric hindrance.
This study establishes perpropionic acid as a superior oxidizing agent for epoxidation, compared to performic acid. The developed kinetic model provides valuable insights into epoxidation dynamics, contributing to the valorization of biomass through the production of epoxidized vegetable oils and their derivatives.
Experimental study οf the additive manufacturing οf silicοn nitride
Doctorant·e
MARIE Theotim
Direction de thèse
MARINEL Sylvain (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
13/03/2025 à 09:00
Lieu de la soutenance
Grand Amphi ENSICAEN bâtiment A
Rapporteurs de la thèse
PATELOUP VINCENT Université de Limoges
REVERON HELEN INSA Lyon
Membres du jurys
DU ZEHUI,
,
Université de technologie de Nanyang
GAN CHEE LIP,
,
Université de technologie de Nanyang
MANIÈRE CHARLES,
,
CNRS
MARINEL Sylvain,
,
UCN - Université de Caen Normandie
PATELOUP VINCENT,
,
Université de Limoges
PRELLIER Wilfrid,
,
ENSICAEN
REVERON HELEN,
,
INSA Lyon
Résumé
La stéréolithographie de suspensions céramiques photopolymérisables est une technique de fabrication additive de haute résolution pour fabriquer des pièces céramiques complexes. Bien qu’elle étende les possibilités d’applications, l’un des inconvénients est la faible épaisseur de parois réalisable. Les polymères formant une structure réticulaire après polymérisation sont pyrolysés lors d’une étape appelée déliantage. Pendant le déliantage, les composés gazeux passant par des canaux d’évacuation créent des pressions internes, résultant souvent en la création de fissures. Lorsque cette thèse a débuté, l’épaisseur de parois critique jusqu’où les pièces ne présentaient pas de défaut était comprise entre 4 et 5 mm pour le nitrure de silicium. Grâce à une optimisation du déliantage se reposant sur l’analyse d’ATG, des pièces d’épaisseurs de parois allant jusqu’à 11 mm ont été obtenues sans défaut. Lors de cette optimisation, l’impact de l’épaisseur des couches a été étudié et il a été révélé qu’une faible épaisseur de couche réduit le risque d’apparition de fissure. Enfin, les propriétés mécaniques ont été mesurées, montrant des valeurs similaires au nitrure de silicium fabriqué par des méthodes plus conventionnelles.
Abstract
Stereolithography of UV-curable ceramic suspensions is an additive manufacturing technique with high precision and great resolution to fabricate complex ceramic parts. While it widens the possibilities of applications, one of the drawback of this method is the low wall-thickness of the parts. The polymers forming the network structure upon cross-linking undergo pyrolysis in a step called debinding. During debinding, the gaseous compounds going
through evacuation channels create internal pressures, often resulting in crack formation. When this PhD started, the critical wall-thickness where crack-free parts are obtained was located between 4 and 5 millimeters for silicon nitride. Thanks to an optimization of the debinding relying on TGA analysis, defectless parts with a wall-thickness of up to 11 mm were obtained. During this optimization, the layer thickness impact was studied and it was revealed that a low layer thickness reduces risks of cracking. Finally, the mechanical properties were measured, showing values equivalent to silicon nitride fabricated by conventional methods.
Crοissance des cοmpοsés ΙΙΙ-Ν et de leurs alliages : develοppement des οutils numériques pοur l'οptimisatiοn de leurs prοpriété
Doctorant·e
ZAITER Ayla
Direction de thèse
CHEN Jun (Directeur·trice de thèse)
HOUNKPATI Viwanou (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
12/03/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
IUT Pôle d'Alençon
Rapporteurs de la thèse
BELABBAS IMAD Université de Abderrahmane Mira-Bejaia
GOGNEAU NOËLLE Université Paris Saclay
Membres du jurys
BELABBAS IMAD,
,
Université de Abderrahmane Mira-Bejaia
CHATEIGNER Daniel,
,
UCN - Université de Caen Normandie
CHEN Jun,
,
UCN - Université de Caen Normandie
GOGNEAU NOËLLE,
,
Université Paris Saclay
HOUNKPATI Viwanou,
,
UCN - Université de Caen Normandie
MONROY EVA,
,
CEA GRENOBLE
RUTERANA Pierre,
,
ENSICAEN
STULICHKOVA LUBICA,
,
Slovak University of Technology
Résumé
Les propriétés optiques, électriques et thermiques des semi-conducteurs du groupe III-N en font d’excellents matériaux pour de nombreuses applications électroniques et optoélectroniques. Le travail de la thèse porte sur leur croissance par dynamique moléculaire (DM) ainsi que le développement des outils numériques pour analyser les résultats et caractériser leurs propriétés en couche mince. Les propriétés thermiques, telles que le coefficient de dilatation thermique et le coefficient de diffusion à la surface de GaN, ont été calculés avec un potentiel empirique Stillinger-Weber. Des simulations par DM ont été réalisées pour la croissance de GaN sur substrat GaN, en optimisant les conditions de dépôt (température, taux de dépôt,...). Les résultats montrent que la cristallinité et la morphologie s’améliorent à haute température, à un faible taux de dépôt et à un rapport N/Ga relativement faible. La croissance d’InN sur GaN permet à avoir un aperçu sur le problème de désaccord de mailles entre le substrat GaN et la couche InN déposée. Les conditions de croissance optimisées ont ensuite été appliquées à la croissance des puits quantiques GaN/InGaN/GaN. Les simulations révèlent que les hautes températures et les couches épaisses favorisent la ségrégation d’indium. Enfin, l’analyse structurale de différentes compositions chimiques des couches InGaN a permis de supposer que la ségrégation de phase InN avec celle de GaN se produit par relaxation de contraintes,les zones riches s’orientent dans le sens de croissance [0001] sous forme de colonne. Ces travaux offrent une approche numérique permettant un accès aux informations sur la croissance et les propriétés des matériaux III-N à l’échelle atomique.
Abstract
The optical, electrical and thermal properties of group III-N semiconductors make them excellent materials for numerous electronic and optoelectronic applications. The thesis focuses on their growth by molecular dynamics (MD) simulations, as well as the development of numerical tools to analyze the results and characterize their thin-film
properties. Thermal properties, such as the thermal expansion coefficient and the diffusion coefficient on the GaN surface were calculated using a Stillinger-Weber empirical potential. MD simulations were carried out for the growth of GaN on a GaN substrate, optimizing deposition conditions (temperature, deposition rate,..). The results show that crystallinity and morphology improve at high temperatures, low deposition rates, and relatively low N/Ga ratios. The growth of InN on GaN provides insights into the lattice mismatch problem between the GaN substrate and the deposited InN layer. The optimized growth conditions were then applied to the growth of GaN/InGaN/GaN quantum wells. Simulations reveal that high temperatures and thick layers promote indium segregation. Finally, the structural analysis of different chemical compositions of InGaN layers suggests that phase segregation of InN with GaN occurs due to strain relaxation, with indium-rich zones aligning along the growth direction [0001] in the form of columns. This work offers a numerical approach that provides insights into the growth and properties of III-N materials at the atomic scale.
Etude numérique de vοilures sοuples en milieu fluide : aide à la prοpulsiοn
Doctorant·e
PEREZ TAMAREZ JULIO
Direction de thèse
Date de la soutenance
27/02/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
INSA Rouen. 685 Avenue de l’Université. 76800 Saint-Etienne-du-Rouvray.
Rapporteurs de la thèse
Membres du jurys
Résumé
Le comportement d’une membrane sans épaisseur placée dans un écoulement unidirectionnel et irrotationnel a été analysé à l’aide de simulations numériques. La portance, la poussée et les forces inertielles ont été calculées en fonction de la distribution de pression au-dessus et en dessous de la membrane en utilisant la méthode des tourbillons. La
réponse du solide a été calculée à partir des hypothèses de grands déplacements en appliquant la mécanique lagrangienne à l’aide du logiciel ANSYS APDL, avec une résolution temporelle basée sur la méthode HHT-α, où la méthode de Newton-Raphson a été utilisée pour résoudre les aspects non linéaires.
L’interaction fluide-solide a été obtenue par un échange explicite de données entre le code de simulation de fluide et le modèle structurel, en se basant sur les conditions cinétiques et dynamiques à la frontière d’interface, tout en prenant en compte le critère de l’échantillonnage de Nyquist-Shannon ainsi que les conditions de Courant-Friedrichs-Lewy. Une nouvelle décomposition matricielle des efforts hydrodynamiques a été appliquée avec succès, permettant de quantifier l’influence des composantes des efforts hydrodynamiques, démontrant ainsi la valeur instantanée des efforts inertiels du fluide. Une étude de l’efficacité propulsive du système en fonction des fréquences d’oscillation, des propriétés mécaniques du solide déformable, et des configurations mécaniques du système a été réalisée afin de déterminer la propulsion optimale.
Abstract
The behavior of a thicknessless membrane placed in a unidirectional and irrotational flow is analyzed using numerical simulation. The lift, thrust and inertial forces were calculated based on the pressure distribution over and under the membrane using the Vortex Method. The response of the solid was calculated based on the large displacement hypothesis using the Timoshenko beam theory and total Lagrangian formulation in ANSYS APDL, with time resolution based on HHT-α method, where the Newton-Raphson method was applied to resolve non-linear aspects.
Fluid-solid interaction was achieved through explicit data exchange between the fluid simulation code and the structural model based on the kinetic and dynamic conditions at the interface boundary and paying special attention to the Nyquist–Shannon criteria and the Courant-Friedrich-Levy's conditions. A new matricial decomposition of hydrodynamic efforts was successfully applied, allowing us to quantify the influence of the inertial force component in the flow and demonstrate the instant value of the added inertia. A study of the thrust in relation to the beating frequencies, the mechanical properties of the deformable solid and the system's mechanical configurations was carried out to find the best propulsion conditions.
Study οf electrοn and iοn emissiοn by intense ΤΗz transient:applicatiοn tο the atοmprοbe tοmοgraphy
Doctorant·e
KARAM Michella
Direction de thèse
VELLA ANGELA (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
27/02/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
GPM-UFR sciences et techniques
Rapporteurs de la thèse
ABRAHAM EMMANUEL Université de Bordeaux
THUVANDER MATTIAS Université de Goteborg (SUEDE)
Membres du jurys
ABRAHAM EMMANUEL,
,
Université de Bordeaux
HIDEUR AMMAR,
,
URN - Université de Rouen Normandie
HOUARD Jonathan,
,
URN - Université de Rouen Normandie
KACHAN ELENA,
,
Université Jean Monnet, Saint-Etienne
THUVANDER MATTIAS,
,
Université de Goteborg (SUEDE)
VELLA ANGELA,
,
URN - Université de Rouen Normandie
Résumé
Les rayonnements térahertz (THz), caractérisés par des photons à faible énergie, sont devenus un outil prometteur pour déclencher des processus d’émission de charges. Les avancées récentes ont permis de générer des impulsions monocycliques THz de forte amplitude, avec des champs électriques de l’ordre de MV/cm, appliquées à des nanostructures, permettant l’émission d’électrons et l’évaporation d’ions. Ces capacités ouvrent de nouvelles perspectives pour améliorer les techniques d’analyse des matériaux, en particulier en tomographie par sonde atomique (APT), en augmentant la résolution et la précision.
Ce travail étudie la physique de l’évaporation de surface induite par des impulsions THz à travers des simulations numériques et des expériences. L’étude numérique a exploré la dynamique des ions et des électrons, en mettant en évidence l’influence de paramètres des impulsions THz tels que l’amplitude et la phase. Expérimentalement, des transitoires THz monocycliques, combinés à une tension de polarisation statique, ont été appliqués à des pointes nanométriques d’hexaborure de lanthane (LaB6), validant les prédictions numériques et démontrant que les impulsions THz agissent comme des impulsions électriques ultra-courtes. Une analyse comparative de l’APT utilisant un laser NIR femtoseconde et des impulsions THz a montré que le rayonnement THz augmentait les états de charge des ions et améliorait la détection du bore.
L’étude a également exploré l’APT assistée par THz pour des matériaux à faible densité de porteurs libres, tels que les semi-conducteurs et les oxydes. Des analyses approfondies du germanium, du silicium, de l’oxyde de magnésium (MgO) et de l’oxyde de zinc (ZnO) ont révélé des défis et des comportements distincts. Des facteurs comme la faible conductivité, les défauts induits par FIB et les effets de barrière de Schottky ont significativement influencé la dynamique d’émission. Malgré ces défis, les impulsions THz ont réussi à déclencher l’évaporation de surface dans ces matériaux, tout en soulignant la nécessité d’optimiser les conditions expérimentales et les techniques de préparation des
échantillons.
Abstract
Terahertz (THz) radiation, characterized by low-energy photons, has become a promising tool for triggering field emission processes. Recent advancements have enabled the generation of high-amplitude monocycle THz pulses with electric fields in the MV/cm range, which have been applied to nanostructures, enabling both electron emission and ion evaporation. These capabilities open new pathways for improving material analysis techniques, particularly in atom probe tomography, by enhancing resolution and accuracy.
This work investigates the physics of field evaporation induced by THz pulses through numerical simulations and experimental measurements. The numerical study explored the dynamics of ions and electrons, highlighting the influence of THz pulse parameters such as amplitude and phase. Experimentally, single-cycle THz transients combined with a static bias voltage were applied to the semi-metal lanthanum hexaboride (LaB6) nanotips, validating numerical predictions and demonstrating that THz pulses act as ultrashort electrical pulses. A comparative analysis of APT using femtosecond NIR lasers and THz pulses revealed that THz radiation increased ion charge states and improved boron detection.
The study further explored THz-assisted APT for materials with low free carrier densities, such as semiconductors and oxides. Extensive analyses of germanium, silicon, magnesium oxide (MgO), and zinc oxide (ZnO) revealed distinct challenges and behaviors. Factors such as low conductivity, FIB-induced defects, and Schottky barrier effects significantly influenced emission dynamics. Despite these challenges, THz pulses successfully triggered field evaporation in these materials, while underscoring the need for further optimization of experimental conditions and sample preparation techniques.
Νumerical simulatiοn οf the attenuatiοn οf hydrοgen explοsiοn by spraying water
Doctorant·e
SIDDAPPA CHETHAN
Direction de thèse
Date de la soutenance
26/02/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
Salle de conférence CORIA , 675 University Avenue BP 12 76801 SAINT ETIENNE DU ROUVRAY CEDEX
Rapporteurs de la thèse
Membres du jurys
Résumé
Les ondes de choc à haute pression sont cruciales dans de nombreux processus industriels et environnementaux impliquant l'énergie hydrogène. Les explosions d'hydrogène posent des risques importants pour les structures et la sécurité humaine, faisant des systèmes de pulvérisation d'eau une solution essentielle, notamment pour le confinement des réacteurs nucléaires.
Ce manuscrit étudie les interactions entre les ondes de choc et les sprays d'eau pour atténuer les explosions d'hydrogène à l'aide de modélisations multiphasiques avancées. Les premières simulations numériques dans des configurations unidimensionnelles et bidimensionnelles se concentrent sur le transfert de quantité de mouvement, en analysant les forces de traînée exercées sur des particules polydispersées dans des mélanges d'air et d'air-hydrogène. Un modèle théorique d'ordre réduit a été développé pour étudier la topologie de dispersion, validé par des simulations numériques directes. Les résultats montrent que les nuages de particules polydispersées améliorent significativement l'atténuation des ondes de choc par rapport aux configurations monodispersées, avec des diamètres plus petits et une plus grande déviation standard produisant des effets plus marqués. Des fractions volumiques de particules plus élevées amplifient davantage l'atténuation. Un nombre de Mach incident critique (Ms < 2,8) a été identifié, où l'onde de choc transmise passe de l'état supersonique à subsonique.
En développant l'investigation initiale du transfert de quantité de mouvement lors des interactions entre les ondes de choc et les gouttelettes, la phase suivante de l'étude introduit des mécanismes de transfert de chaleur et d'évaporation pour analyser de manière exhaustive l'atténuation des ondes de choc multiphasiques. Les résultats révèlent que l'intégration du transfert de chaleur et de l'évaporation améliore considérablement l'atténuation des ondes de choc, avec des petites gouttelettes dans des configurations hautement polydispersées et denses favorisant une évaporation plus rapide grâce à leur surface cumulative plus grande, conduisant à une dissipation efficace de l'énergie et à une atténuation améliorée.
L'analyse montre une relation linéaire entre le nombre de Mach de choc transmis à saturation (Mst)sat et le nombre de Mach incident Ms. Une corrélation empirique a été développée pour prédire (Mst)sat en fonction du nombre de Mach incident Ms et du diamètre des gouttelettes. Ce travail offre une analyse approfondie des interactions multiphasiques dans les environnements chargés de gouttelettes et souligne l'efficacité des sprays d'eau comme stratégie pour réduire les risques d'explosion d'hydrogène dans les contextes industriels et nucléaires.
Abstract
High-pressure blast waves are critical in many industrial and environmental processes involving hydrogen energy. Accidental shock waves from hydrogen explosions pose significant risks to structural integrity and human safety, making water spray systems a vital strategy for mitigating such hazards, particularly in nuclear reactor containment scenarios.
This manuscript investigates shock-spray interactions to mitigate hydrogen explosions through advanced multiphase modeling. The study examines the coupled effects of momentum, heat, and mass transfer during shock-wave interactions with water sprays, a proven strategy for explosion attenuation. Initial numerical simulations in one- and two - dimensional configurations focus on momentum transfer, analyzing drag forces on polydisperse particles in air and hydrogen-air mixtures. A reduced-order theoretical model is developed to study dispersion topology, validated against direct numerical simulations. Results show that polydisperse particle clouds significantly enhance shock attenuation compared to monodisperse ones, with smaller diameters and higher standard deviation exhibiting stronger effects. Greater particle volume fractions further amplify attenuation. A critical incident Mach number (Ms < 2.8) is identified, where the transmitted shock transitions from supersonic to subsonic states.
Expanding upon the initial investigation of momentum transfer during shock-droplet interactions, the subsequent phase of the study introduces heat transfer and evaporation mechanisms to comprehensively analyze multiphase shock wave attenuation.
The results reveal that incorporating heat transfer and evaporation significantly enhances shock attenuation, with smaller droplets in highly polydisperse and dense configurations promoting faster evaporation due to their larger cumulative surface area, leading to efficient energy dissipation and improved mitigation. The analysis reveals a linear relationship between the saturated transmitted shock Mach number, ((M{st}){sat}), and the incident Mach number, (Ms). An empirical correlation was developed to predict ((M{st}){sat}\) as a function of incident Mach number (Ms) and droplet diameter. This work provides a detailed understanding of multiphase interactions in droplet-laden environments and highlights the potential of water sprays as a robust mitigation strategy for hydrogen explosion risks in industrial and nuclear safety contexts.
Μachine Learning et Τechniques d'Οptimisatiοn pοur Améliοrer l'Efficacité Energétique des Centres de Dοnnées
Doctorant·e
EL YADARI Meryeme
Direction de thèse
GUALOUS Hamid (Directeur·trice de thèse)
YAHYAOUY ALI (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
26/02/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
Centre Visioconférence B.P. 1796 MAROC 30003, Fès-Atlas, Maroc
BELLACH BENAISSA,
,
Faculté des sciences d'Oujda
EL MOTAKI SALOUA,
,
Université Chouaib Doukkali
GUALOUS Hamid,
,
UCN - Université de Caen Normandie
LE MASSON STÉPHANE,
,
Orange labs Lannion
LOUAHLIA Hasna,
,
UCN - Université de Caen Normandie
SABOR JALAL,
,
Université Moulay Ismail
TAIRI HAMID,
,
Université Sidi Mohamed Ben Abdellah
YAHYAOUY ALI,
,
Université Sidi Mohamed Ben Abdellah
Résumé
Les centres de données, en tant qu'infrastructures hébergeant des milliers d'équipements et réalisant des calculs intensifs, jouent un rôle clé dans le traitement et le stockage de données à grande échelle. Pour garantir un service fiable et durable, il est essentiel de bien gérer leurs ressources et de comprendre la corrélation entre le service fourni et la consommation énergétique. L'énergie est en effet un facteur crucial, directement lié aux coûts d'exploitation. Cette corrélation fait de la gestion énergétique des centres de données un sujet de recherche actuel et d'une importance majeure pour l'optimisation des performances et de la rentabilité de ces infrastructures.
Notre travail se concentre sur l’étude de la corrélation entre l’utilisation des ressources des centres de données et leur consommation énergétique. Les serveurs, constituant le cœur de ces infrastructures et étant parmi les plus grands consommateurs d’énergie, seront au centre de notre analyse. En nous focalisant sur les éléments spécifiques des serveurs qui consomment le plus, nous cherchons à identifier les facteurs et les composants clés influençant la demande énergétique. Cette analyse nous permettra de mieux comprendre comment chaque composant contribue à la consommation globale. Ensuite, un aspect fondamental de cette recherche consiste à développer des modèles de Machine Learning capables de prédire la consommation énergétique de manière précise. Ces modèles aideront les gestionnaires des centres de données à anticiper les besoins en énergie, à planifier efficacement l’allocation des ressources et à prévoir les variations de charges de travail. Une prévision précise des charges est d’une importance cruciale, car elle influe directement sur les performances des serveurs et, par conséquent, sur l’efficacité énergétique globale. En parallèle, la gestion proactive des charges contribue non seulement à l’optimisation des coûts énergétiques mais aussi à la durabilité des centres de données en limitant les risques de surcharge ou de sous-utilisation des serveurs. Enfin, un autre axe essentiel de notre travail porte sur le placement optimal des machines virtuelles au sein des serveurs physiques. Une stratégie de placement optimale réduit la consommation d’énergie, améliore l’efficacité énergétique et maintient une qualité de service améliorée, ce qui contribue directement à la rentabilité et à la durabilité des centres de données.
Abstract
Data centers, as infrastructures hosting thousands of devices and performing intensive computations, play a key role in large-scale data processing and storage. To ensure a reliable and sustainable service, it is essential to properly manage their resources and understand the correlation between the service provided and energy consumption. Energy is indeed a crucial factor, directly related to operating costs. This correlation makes energy management of data centers a current research topic and of major importance for optimizing the performance and profitability of these infrastructures.
Our work focuses on studying the correlation between data center resource utilization and energy consumption. Servers, which are the core of these infrastructures and are among the largest consumers of energy, will be at the center of our analysis. By focusing on the specific elements of the servers that consume the most, we seek to identify the key factors and components influencing energy demand. This analysis will allow us to better understand how each component contributes to overall consumption. Then, a fundamental aspect of this research is to develop Machine Learning models capable of accurately predicting energy consumption. These models will help data center managers anticipate energy needs, efficiently plan resource allocation, and predict workload variations. Accurate load forecasting is of crucial importance, as it directly influences server performance and, consequently, overall energy efficiency. In parallel, proactive load management contributes not only to energy cost optimization but also to data center sustainability by limiting the risks of server overload or underutilization. Finally, another key focus of our work is the optimal placement of virtual machines within physical servers. An optimal placement strategy reduces energy consumption, improves energy efficiency, and maintains improved quality of service, which directly contributes to the profitability and sustainability of data centers.
Experimental study οn the perfοrmance οf electrοkinetic remediatiοn οf waste materials at different scales
Doctorant·e
ZEIN EDDIN Ahmad
Direction de thèse
BENAMAR AHMED (Directeur·trice de thèse)
AMMAMI Mohamed Tahar (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
07/02/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
LOMC 53 rue de Prony 76600 Le Havre
Rapporteurs de la thèse
MAHERZI WALID IMT NORD EUROPE
SONG YUE SHANDONG UNIVERSITY
Membres du jurys
AMMAMI MOHAMED TAHAR,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
BENAMAR AHMED,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
DI EMIDIO GEMMINA,
,
GHENT UNIVERSITY DE PINTELAAN (BEL)
DJERAN-MAIGRE IRINI,
,
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
LEKLOU NORDINE,
,
Nantes Université
MAHERZI WALID,
,
IMT NORD EUROPE
OUDDANE BAGHDAD,
,
Universite de Lille
SONG YUE,
,
SHANDONG UNIVERSITY
Résumé
Dans des zones comme les ports, les rivières et les voies navigables, l'accumulation de sédiments peut entraver la navigation sûre, affectant les activités maritimes. En raison de leur potentiel à contenir des polluants organiques et inorganiques, les sédiments dragués sont régis par des législations nationales et internationales. Ces matériaux, considérés comme des déchets et générant des risques environnementaux importants, peuvent être stockés dans des zones gérées à terre. Annuellement, environ 600 millions de m³ de sédiments dragués dans le monde posent un défi et une opportunité de réutilisation dans des secteurs comme la construction et l'agriculture. De plus, les industries génèrent de grands volumes de divers matériaux de déchets comme les scories et les cendres volantes, qui incluent un potentiel de réutilisation. La rémédiation électrocinétique (EK) est l'une des nombreuses méthodes de traitement, où un champ électrique est appliqué pour transporter les contaminants hors du matériau. Ce travail, réalisé au laboratoire LOMC à l'Université Le Havre-Normandie, se concentre sur l'étude de l'effet des processus électrocinétiques sur les caractéristiques des sédiments dragués et des scories à différentes échelles. L'étude comprend trois parties : (1) l'examen de l'effet des conditions de stockage des matériaux (gel-dégel, sec-humide) sur le processus EK, (2) l'étude de l'efficacité de l'EK sur la rémédiation des co-produits (scories) sous différentes conditions électrochimiques, (3) l'analyse du comportement physico-chimique des matériaux lors de l'upscaling du processus EK, et (4) la comparaison du comportement des sédiments fluviaux et marins sous le processus EKR. Les résultats permettent de tirer les conclusions suivantes selon les investigations ci-dessus :
Les conditions de stockage peuvent affecter l'évolution des paramètres électrochimiques pendant le processus EK, et le paramètre clé est le pH de l'eau interstitielle qui conduit à une forte élimination de Na (95%), Cl (100%), Ca (17%) et Mn (25%). En revanche, ce paramètre n'affecte pas de manière significative la teneur en matière organique ou la distribution granulométrique des particules. Seuls les carbonates, y compris la calcite, la dolomite et l'aragonite, ont été significativement affectés par le pH pendant le processus EK.
Les résultats de l'upscaling montrent qu'appliquer 1V/cm à différentes échelles a entraîné une augmentation de la température et des variations du comportement chimique. Ainsi, en plus des autres paramètres de similarité, la similarité thermique a été un défi en raison de l'augmentation de la température à plus grande échelle.
Le mélange de sédiments fluviaux avec des scories a augmenté le courant électrique, entraînant une élimination plus importante de As (28%), Cu (32%), Zn (55%) et Cd (85%). L'étude fournit une première étape pour combiner deux matériaux de déchets (sédiments dragués et co-produit industriel) à des fins de rémédiation électrocinétique et de valorisation ultérieure dans des applications en génie civil, répondant aux exigences environnementales et offrant une solution économiquement viable pour la gestion et la récupération des matériaux de déchets.
Abstract
In areas like ports, rivers, and waterways, sediment accumulation can impede safe navigation, affecting shipping activities. Due to their potential to contain organic and inorganic pollutants, dredged sediments are regulated by both national and international legislations. These materials, considered as waste and generating significant environmental risks, can be stored on managed areas onshore. Annually, about 600 million m³ of dredged sediments worldwide present a challenge and opportunity for reuse in sectors like construction and agriculture. In addition, industries generate large volumes of different waste materials like slags and fly ash, which include a potential reuse. Electrokinetic (EK) remediation is one among many treatment methods, where an electric field is applied to transport contaminants out of the material. This work, conducted at the LOMC laboratory at Le Havre-Normandie University, focuses on investigating the effect of electrokinetic processes on dredged sediments and slags characteristics at different scales. The study includes three parts: (1) examining the effect of material storage conditions (freeze-thaw, dry-wet) on the EK process, (2) investigating the EK efficiency on remediation of co-product material (slags) under different electrochemical conditions, (3) analyzing physico-chemical behavior of materials during upscaling of EK process, and (4) comparing the behavior of fluvial sediment and marine sediments under EKR process. The results lead to draw the following conclusions according to the above investigations:
Storage conditions can affect the evolution of electrochemical parameters during EK process, and the key parameter is the pore water pH which lead to the high removal of Na (95%), Cl (100%), Ca (17%), and Mn (25%). In opposite, this parameter does not affect significantly organic matter content or participle size distribution. Only carbonates, including calcite, dolomite, and aragonite, were significantly affected by pH during EK process.
The scale-up results show that applying 1V/cm in different scales led to temperature raise and variations in chemical behavior. So, in addition to other similarity parameters, the thermal similarity was challenging due to the increase of temperature in larger scales.
Mixing fluvial sediment with slag increased electric current, resulting in higher removal of As (28%), Cu (32%), Zn (55%), and Cd (85%). The study provides a preliminary step for combining two waste materials (dredged sediments and an industrial co-product) for electrokinetic remediation purpose and subsequent valorisation in civil engineering applications, meeting environmental requirements and offering an economically viable solution for waste material management and recovery.
Evοlutiοn οf the spin-οrbit splitting frοm 16Ο tο 22Ο and the rοle οf tensοr fοrce
Doctorant·e
BARRIERE Antoine
Direction de thèse
SORLIN Olivier (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
30/01/2025 à 14:00
Lieu de la soutenance
Salle de conférence, maison d'hôte du GANIL
Rapporteurs de la thèse
BEAUMEL DIDIER Labo. de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie
CORSI ANNA CEA Paris-Saclay
Membres du jurys
ASSIE MARLÈNE,
,
Labo. de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie
BEAUMEL DIDIER,
,
Labo. de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie
CORSI ANNA,
,
CEA Paris-Saclay
MARQUES Miguel,
,
Laboratoire de Physique corpusculaire de Caen
PLOSZAJCZAK Marek,
,
14 GANIL de CAEN
SORLIN Olivier,
,
14 GANIL de CAEN
Résumé
Dans le cadre du modèle en couches, l'interaction nucléaire à deux corps peut être divisée en une partie centrale, une partie spin-orbite (SO) et une partie tenseur. La grande majorité des études réalisées jusqu'à présent sur des noyaux stables de la carte des noyaux montrent que l'amplitude de la séparation SO décroît selon A^(-2/3), en raison du terme de surface dominant de la force spin-orbite. Le but de cette étude, qui va au-delà de la vallée de stabilité, est de déterminer l'évolution de la séparation SO des orbitales proton 0p3/2 et 0p1/2 entre le noyau bien connu d'16O (N = 8) et celui riches en neutrons d'22O (N = 14). En plus du rôle de la force SO, cette évolution dépend également de la contribution de la force tenseur, qui devrait conduire à une diminution supplémentaire de la séparation SO lorsque l'orbitale neutron 0d5/2 se remplit par-dessus le noyau doublement magique d'16O.
L'expérience s509 a été réalisée sur la ligne de faisceau R3B pendant la campagne expérimentale de 2022 au GSI. Les noyaux d'22O ont été sélectionnés via le spectromètre FRS, puis ont interagi avec une cible d'hydrogène cryogénique de 5 cm d'épaisseur pour induire des réactions de diffusion quasi-libre de neutrons et de protons. Ces réactions ont peuplé, entre autres, les états trou neutron et proton dans l'22O, conduisant aux noyaux d'21O et de 21N, respectivement. Les protons et les neutrons issus des réactions (p,2p) ou (p,pn), les noyaux résiduels et les produits de désintégration associés ont été détectés à l'aide de la ligne de détection R3B. Ce dispositif a permis une reconstruction complète événement par événement dans la cinématique inverse, y compris l'identification et la détermination de la quantité de mouvement des noyaux entrants et des fragments sortants. En outre, les spectroscopies gamma et neutrons à haute résolution ont été réalisées à l'aide des multi-détecteurs CALIFA et NeuLAND, respectivement. La combinaison de détecteurs au sein de ce dispositif expérimental a permis d'étudier la désintégration des états liés et non liés peuplés par ces réactions, ainsi que le moment angulaire des nucléons éliminés au cours des réactions d'élimination.
La première partie de cette thèse se concentre sur l'étude de la magicité N = 14 du noyau d'22O via la réaction 22O(p,pn), en sondant le degré de corrélation entre les orbitales neutron 0d5/2 et 1s1/2. La limite supérieure de l'occupation neutron de l'orbitale de valence 1s1/2 est alors estimée, à partir de la spectroscopie gamma et de l'analyse des moments, à <1% avec un niveau de confiance de 68%. En outre, nous avons identifié un nouvel état non lié dans l'21O à Erel = 0.438(30) MeV, dont le SF et le moment de recul transversal sont cohérents avec un état 1/2^- prédit par les calculs du modèle en couches.
La seconde partie de ce travail est consacrée à l'identification ainsi qu'à la détermination du facteur spectroscopique des états 0p dans le noyau de 21N, jusqu'à son seuil d'émission deux neutrons, via la réaction 22O(p, 2p). La population du premier état lié connu 3/2^-(1) et de deux nouvelles résonances ont été observées en utilisant les spectroscopies gamma et neutron (1n), respectivement. L'extraction des facteurs spectroscopiques associés permet de déterminer l'amplitude de la séparation entre les orbitales proton 0p1/2 et 0p3/2 (Z = 6) dans l'22O. Cette valeur est ensuite comparée à différents calculs, incluant (ISM(YSOX)) ou excluant (potentiel WS) la force tenseur, afin d'estimer sa contribution à l'évolution de la séparation SO.
Abstract
In the shell model framework, the two-body nuclear force can be divided into a central, spin-orbit (SO) and tensor parts. The vast majority of studies performed so far in stable nuclei of the nuclear chart show that the amplitude of the SO splitting scales with approximately A^(-2/3), due to the surface-dominant term of the spin-orbit force. The aim of this study, which goes far beyond stability, is to determine the evolution of the proton 0p3/2-0p1/2 SO splitting between the well-known 16O (N = 8) and the neutron-rich 22O (N = 14) nuclei. In addition to the role of the SO force, this evolution also depends on the contribution of the tensor force, which should lead to a further decrease of the SO splitting as the neutron 0d5/2 shell fills on the doubly magic 16O nucleus.
The s509 experiment was conducted at the R3B beamline during the 2022 experimental campaign at GSI. The 22O nuclei were delivered via the FRS spectrometer and impinged a 5 cm thick cryogenic hydrogen target to induce neutron and proton quasi-free scattering (QFS) reactions. These reactions populated, among others, the neutron and proton hole states in 22O, leading to the 21O and 21N nuclei, respectively. The protons and neutrons arising from (p,2p) or (p,pn) reactions, the residual nuclei, and their associated decay products were detected using the versatile R3B setup in Cave C. This setup allowed a complete event-by-event reconstruction in inverse kinematics, including the identification and momentum determination of both the incoming nuclei and outgoing fragments. In addition, high- resolution gamma-ray and neutron spectroscopy was performed using the CALIFA and NeuLAND arrays, respectively. The combination of detectors within this experimental setup allowed the study of the decay of both bound and unbound states populated by these reactions, as well as the study of the angular momentum of the nucleons removed during the knockout reactions.
The first part of this thesis focuses on the study of the N = 14 magicity of the 22O nucleus via the 22O(p,pn) reaction, probing the degree of correlation across the neutron 0d5/2-1s1/2 gap. The upper limit of the neutron occupancy of the valence 1s1/2 orbital is then estimated from gamma- spectroscopy and momentum analysis to be <1% with a confidence level of 68%. In addition, we have identified a new unbound state in 21O at Erel = 0.438(30) MeV, whose the strength and transverse recoil momentum are consistent with a 1/2^- state predicted by Shell Model calculations.
The second part of this work is dedicated to the identification as well as the determination of the spectroscopic factor of the 0p states in the 21N nucleus, up to its two-neutron emission threshold, through the 22O(p, 2p) reaction. The population of the first known 3/2^-(1) bound state and two new resonances were observed using gamma- and one-neutron spectroscopy, respectively. The extraction of the associated spectroscopic factors allows the determination of the amplitude of the proton 0p1/2-0p3/2 gap (Z = 6) in 22O. This value is then compared with different calculations, including (ISM(YSOX)) or excluding (WS potential) the tensor interaction, in order to estimate its contribution to the evolution of the SO splitting.
Μise en οeuvre d'un cοmpοsite biοsοurcé et caractérisatiοn en fatigue vibratοire
Doctorant·e
BELCADI OUMAIMA
Direction de thèse
Date de la soutenance
21/01/2025 à 09:00
Lieu de la soutenance
Université Ibn Zohr à Agadir
Rapporteurs de la thèse
Membres du jurys
Résumé
L'objectif principal de cette thèse est d'étudier le comportement vibratoire d'un composite renforcé par des particules de coques de noix d’arganier (CNA), en s'appuyant sur des caractérisations mécaniques et thermiques. Ce travail s’inscrit dans le cadre de la valorisation des déchets agricoles issus de la production d’huile d’argan.
Les composites étudiés sont constitués de polypropylène (PP) renforcé par 10, 20 et 30 % de particules de CNA. Leur fabrication a été réalisée à l’aide des procédés standards de transformation des matières plastiques (extrusion et injection), suivie d’une caractérisation pour établir la relation structure-propriétés et évaluer leur qualité.
Les résultats ont montré que l’ajout des particules de CNA favorise la formation des cristaux en agissant comme un agent nucléant. Cependant cet ajout entraîne une diminution de la stabilité thermique. Pour remédier à cela, une étude de l’effet des paramètres de procédé et de la formulation des composites sur la stabilité thermique a été menée à travers un plan d’expérience. Les résultats ont montré que l’ajout d’un agent couplant, le Maléique Anhydride, ainsi que la température d’extrusion influencent la stabilité thermique.
Pour analyser le comportement en fatigue vibratoire des composites élaborés, des éprouvettes ont été conçues en adoptant des approches numériques d’homogénéisation et d’analyse modale. Les résultats de l’homogénéisation numérique ont été validés par des essais de traction monotone et des modèles analytiques. L’analyse modale a permis d’identifier les premières fréquences de résonance qui permettent de limiter l’auto-échauffement excessif des éprouvettes.
Les essais de fatigue vibratoire à la première fréquence de résonance, réalisés sur du polypropylène (PP) vierge et sur du PP contenant 30 % de CNA, ont été analysés à travers les mécanismes d’endommagement. Ces essais ont mis en évidence que l’ajout de CNA à la matrice PP améliore la rigidité et, par conséquent, la durée de vie des composites, mais entraîne une réduction du taux d’amortissement.
Tous les résultats ont été discutés sur la base d'une étude bibliographique issue de la littérature.
Abstract
The primary objective of this project is to study the vibration behaviour of a composite reinforced with argan nut shell particles (ANS), with a focus on mechanical and thermal
characterisation. This project forms part of a wider initiative to recover agricultural waste from the production of argan oil.
The composites under consideration are composed of polypropylene (PP) reinforced with 10, 20 and 30% ANS particles. The products were manufactured using standard plastic transformation processes (extrusion and injection), followed by characterisation to establish the structure-properties relationship and assess quality.
The findings showed that the incorporation of ANS particles facilitated crystal formation, acting as a nucleating agent. However, this addition has the unintended consequence of reducing thermal stability. To address this issue, a study was conducted to analyse the effect of processing parameters and composite formulation on thermal stability using a design of experiments. The findings revealed that the addition of a coupling agent, maleic anhydride, and the extrusion temperature have a significant impact on thermal stability. To analyse the vibration fatigue behaviour of the composites produced, we designed specimens using numerical homogenisation and modal analysis approaches. The results of the numerical homogenisation were validated using tensile tests and analytical models. The modal analysis was used to identify the first resonance frequencies that limit excessive specimen self-heating. Vibration-based bending fatigue tests at the first resonant frequency were conducted on PP without and with 30% ANS. The results, analysed through damage mechanisms, highlighted that the addition of ANS to the PP matrix improves the stiffness and, consequently, the life duration of the composites, but leads to a reduction in the damping rate.
All the results were discussed on the basis of a review of the literature.
Catalytic cracking οf tar mοdel cοmpοunds using biοchar as catalyst
Doctorant·e
MARTES HERNANDEZ LEONELA
Direction de thèse
Date de la soutenance
21/01/2025 à 10:00
Lieu de la soutenance
LSPC
Rapporteurs de la thèse
Membres du jurys
Résumé
Cette thèse se concentre sur l'étude du craquage catalytique des goudrons, qui sont des substances pouvant être produites avec le gaz de synthèse et le biochar pendant la gazéification de la biomasse. Les goudrons constituent un des principaux obstacles à l’utilisation du gaz de synthèse dans certains procédés industriels en raison des difficultés techniques liées à leur présence (obstruction, condensation, réduction de l'efficacité énergétique, etc.). Le craquage catalytique est une technique de choix pour transformer ces goudrons, composés d’hydrocarbures lourds (C6, C7, C8, etc.) en espèces plus légères (H2, CH4, C2H4). Ce processus peut être catalysé par le biochar, dont l'utilisation présente un grand avantage économique et technologique en tant que sous-produit de la gazéification. Ce travail met l'accent sur l'étude paramétrique du craquage des goudrons simulés par des composés modèles comme le benzène, le toluène et le xylène), en utilisant de catalyseurs à base de biochar, seul ou modifié par des métaux comme le fer et le nickel. Les catalyseurs préparés ont été caractérisés et leur activité a été comparée dans la réaction de craquage des différentes molécules modèles. La cinétique de la réaction ainsi que es phénomènes de transfert ayant lieu lors de la catalyse ont également été explorés.
Abstract
This thesis focuses on the study of the catalytic cracking of tars, which are substances that can be produced along with syngas and biochar during biomass gasification. Tars are one of the main obstacles to the use of syngas in certain industrial processes, due to the technical difficulties associated with their presence (clogging, condensation, reduced energy efficiency, etc.). Catalytic cracking is the technique of choice for transforming these tars, composed of heavy hydrocarbons (C6, C7, C8, etc.) into lighter species (H2, CH4, C2H4). This process can be catalyzed by biochar, whose use offers great economic and technological advantages as a by-product of gasification. This work focuses on the parametric study of the cracking of tars emulated by model compounds such as benzene, toluene and xylene while using biochar-based catalysts, either the biochar alone or otherwise, modified with metal oxides of iron and nickel. The catalysts prepared were characterized and their activity was compared during the cracking reaction of the various model molecules. The kinetics of the reaction and the transfer phenomena occurring during catalysis were also explored.
Cοrrélatiοn "micrοstructures-traitements thermiques-prοpriétés mécaniques" de pièces en 316L οbtenues par Fabricatiοn Additive(Fusiοn laser sur lit de pοudre).
DIRRENBERGER JUSTIN,
,
CNAM
KELLER CLEMENT,
,
Université de technologie de Tarbes Occitanie Pyrénées
LEFEZ BENOIT,
,
URN - Université de Rouen Normandie
MALARD BENOIT,
,
Inp (Toulouse)
PAREIGE PHILIPPE,
,
URN - Université de Rouen Normandie
VIEILLE BENOIT,
,
INSA Rouen Normandie
Résumé
Depuis ces dix dernières années, la fabrication additive métallique connait un bon spectaculaire dans divers secteurs industriels. Selon le rapport Wohlers associates Inc. 2020, rien que dans le secteur de la santé et de l’automobile, le taux de croissance de la fabrication additive était compris entre 15% et 25%. Fort de cet intérêt pour la fabrication additive métallique, le Centre de Ressource et Technologique Analyses et Surfaces a initié ces travaux de thèse dans le but de monter en compétences sur cette technologie et apporter une expertise à ses clients.
Ces travaux présentent une étude comparative entre un 316L obtenu par le procédé de fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) et un 316L conventionnel (laminé et recuit). L’accent a été mis sur trois points différents : l’impact du procédé de fabrication, l’influence des traitements thermiques (traitement d’homogénéisation à 1150°C et traitements de revenu à 600°C et 800°C) ainsi qu’un volet simulation numérique. L’influence du procédé de fabrication et des traitements thermiques a été analysé sur la microstructure, les propriétés mécaniques (dureté et traction), ainsi que sur la tenue à la corrosion par piqûre.
L’objectif de la simulation est d’utiliser la modélisation non pas comme un outil de prédiction, mais comme un outil d’aide à la compréhension, susceptible de mettre en évidence des effets qui n’ont pas pu être observés expérimentalement, mais qui pourront l’être en s’appuyant sur de nouvelles analyses expérimentales. Les résultats montrent qu’à l’état de réception, le 316L L-PBF présente des propriétés mécaniques supérieures à ceux du 316L laminé, tout comme une meilleure tenue à la corrosion. Les traitements thermiques entraînent une modification de la microstructure du 316L L-PBF, traduit par une baisse de la tenue mécanique et de la résistance à la corrosion. Néanmoins, l’acier 316L L-PBF traité thermiquement ne présente pas de régression par rapport à la nuance conventionnelle.
Les résultats de simulation numérique ont montré la pertinence du modèle utilisé et la capacité de cette modélisation à rendre compte du caractère anisotrope du matériau L-PBF.
Abstract
In the last ten years, metal additive manufacturing has achieved significant success across various industrial sectors. According to the 2020 Wohlers associates Inc. report, in the healthcare and automotive sectors alone, the growth rate of additive manufacturing ranged between 15% and 25%. In response to this growing interest in metal additive manufacturing, the Centre de Ressource et Technologique Analyses et Surfaces initiated this thesis work to build expertise in this technology and provide valuable support to its customers.
This work presents a comparative study between a 316L stainless steel produced using the Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) process and a conventional 316L (rolled and annealed). The study focuses on three main areas : the impact of the manufacturing process, the influence of thermal treatments (homogenization at 1150°C and tempering at 600°C and 800°C), and a digital simulation component. The effects of the manufacturing process and heat treatments on the microstructure, mechanical properties (hardness and tensile strength), and pitting corrosion resistance were analyzed.
The aim of the simulation was not to use the model as a predictive tool, but as an aid to understanding, helping to highlight phenomena that might not be directly observable experimentally but could be further investigated through new experimental analyses. The results show that in the as-received state, 316L L-PBF has superior mechanical properties compared to 316L rolled material, as well as better corrosion resistance. The thermal treatments modify the microstructure of 316L L-PBF, leading to a decrease in both mechanical strength and corrosion resistance. However, the heat-treated 316L L-PBF does not show any regression compared to the conventional grade.
The digital simulation results demonstrated the relevance of the model used and its ability to account for the anisotropic nature of the L-PBF material.
Etude de la sécurité thermique d'un réacteur chimique : apprοche par cοntrôle de la température
Doctorant·e
ALCANTARA MANZUETA SANTIAGO ELIAS
Direction de thèse
Date de la soutenance
19/12/2024 à 09:30
Lieu de la soutenance
INSA Rouen Normandie Bâtiment Darwin Salle DA-R1 02
Rapporteurs de la thèse
Membres du jurys
Résumé
Dans cette thèse, ma contribution se concentre sur le développement d’une méthodologie pour
le contrôle intelligent de la température maximale dans un réacteur tubulaire. Ces expressions
sont dérivées d'un modèle analytique précédemment publié par (Vernières-Hassimi et al., 2016)
et ont été adaptées et simplifiées pour leur application dans ce contexte. La première expression
analytique développée concerne le calcul de la position de la température maximale de réaction,
un paramètre fondamental pour la sécurité dans les réacteurs tubulaires. Cette expression
permet d'analyser le comportement du point chaud à l'intérieur du réacteur et comment sa
position varie en fonction des changements dans les paramètres d'entrée, ce qui facilite une
sélection plus appropriée des configurations opérationnelles. De plus, cette expression s'intègre
avec la formule précédemment développée par (Vernières-Hassimi et al., 2016). La deuxième
expression est le résultat d'une résolution de l'équation originale, par laquelle on calcule la
température de refroidissement du réacteur. Cette expression est particulièrement utile pour
déterminer la température de refroidissement face à des variations des conditions
opérationnelles, fournissant ainsi un outil efficace pour la gestion thermique du système.
Abstract
In this thesis, my contribution focuses on the development of a methodology for intelligent
control of the maximum temperature in a tubular reactor. These expressions are derived from
an analytical model previously published by (Vernières-Hassimi et al., 2016) and have been
adapted and simplified for their application in this context. The first analytical expression
developed concerns the calculation of the position of the maximum reaction temperature, a
fundamental parameter for safety in tubular reactors. This expression allows for the analysis of
the behaviour of the hot spot inside the reactor and how its position varies according to changes
in input parameters, which facilitates a more appropriate selection of operational
configurations. Furthermore, this expression integrates with the formula previously developed
by (Vernières-Hassimi et al., 2016). The second expression results from a resolution of the
original equation, through which the reactor's cooling temperature is calculated. This expression
is particularly useful for determining the cooling temperature in response to variations in
operational conditions, thus providing an effective tool for the thermal management of the
system.
Οrdre magnétique dans des spinelles à prοpriétés thermοélectriques
Doctorant·e
CHOKER Eva
Direction de thèse
JURASZEK JEAN (Directeur·trice de thèse)
FNIDIKI ABDESLEM (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
19/12/2024 à 10:30
Lieu de la soutenance
Salle de séminaire 2.26 Laboratoire GPM
Rapporteurs de la thèse
AMMAR-MERAH SOUAD Université Paris Cité
YAACOUB NADER UNIVERSITE LE MANS
Membres du jurys
AMMAR-MERAH SOUAD,
,
Université Paris Cité
EL MARSSI MIMOUN,
,
UNIVERSITE AMIENS PICARDIE JULES VERNE
FNIDIKI ABDESLEM,
,
URN - Université de Rouen Normandie
HEBERT SYLVIE,
,
UCN - Université de Caen Normandie
JURASZEK JEAN,
,
URN - Université de Rouen Normandie
YAACOUB NADER,
,
UNIVERSITE LE MANS
Résumé
Ce travail de thèse porte sur l’étude de matériaux spinelles à base de sulfures de fer et de chrome, de type FeCr₂S₄. L’objectif principal est d’étudier les effets de substitutions cationiques de Fe par Cu et de Cr par V, sur les propriétés structurales et magnétiques. La spectrométrie Mössbauer du ⁵⁷Fe a notamment été utilisée comme sonde locale de l’environnement chimique et magnétique du fer. Pour le spinelle cubique FeCr₂S₄ ferrimagnétique, le fer occupe principalement les sites tétraédriques sous la forme d’ions Fe²⁺. Un effet quadripolaire induit par le couplage spin-orbite a été observé en dessous de la température de Curie de 176 K, accompagné d’une diminution du champ hyperfin moyen en dessous de 80 K, signature d’une transition vers une phase magnétique hélicoïdale. Le composé Fe₀.₅Cu₀.₅Cr₂S₄ présente une valence mixte du fer sur les sites tétraédriques et un moment magnétique plus élevé lié à la présence d’ions Fe³⁺ majoritaires par rapport aux ions Fe²⁺. La température de transition magnétique au-dessus de l’ambiante (Tc = 330 K) rend le matériau intéressant pour des applications magnétocaloriques, même si les valeurs de la variation maximale d’entropie magnétique et du pouvoir de refroidissement relatif sous 5 T sont inférieures à celles de FeCr₂S₄. Le comportement antiferromagnétique du spinelle FeV₂S₄ de structure monoclinique est confirmé avec une température de Néel de 133 K. Une distribution cationique des ions Fe²⁺ a été quantifiée sur les deux sites intercalés entre des couches compactes hexagonales de soufre, avec un champ hyperfin moyen plus élevé dans les couches déficientes en métal. L’échantillon FeVCrS₄ présente une structure principalement monoclinique avec une phase cubique minoritaire de type FeCr₂S₄. L’analyse Mössbauer montre qu’environ 20 % des ions fer appartiennent à cette phase cubique, responsable du ferrimagnétisme observé. Les propriétés magnétocaloriques inférieures à celles de FeCr₂S₄ monophasé confirment que ce dernier demeure le composé le plus prometteur pour les applications magnétocaloriques.
Abstract
This thesis focuses on the study of spinel materials based on iron and chromium sulfides, such as FeCr₂S₄. The main objective is to investigate the effects of cationic substitutions of Fe by Cu and Cr by V on the structural and magnetic properties. ⁵⁷Fe Mössbauer spectroscopy was used as a local probe of the chemical and magnetic environment of iron. For the cubic spinel FeCr₂S₄, which is ferrimagnetic, iron is primarily located on tetrahedral sites in the form of Fe²⁺ ions. A quadrupole effect induced by spin-orbit coupling was observed at temperatures below the Curie temperature of 176 K, accompanied by a decrease in the mean hyperfine field below 80 K, indicating a transition to a helical magnetic state. The compound Fe₀.₅Cu₀.₅Cr₂S₄ exhibits a mixed valence of iron on tetrahedral sites, with a higher magnetic moment due to the presence of Fe³⁺ ions in addition to Fe²⁺ ions. Its transition temperature above room temperature (Tc = 330 K) makes it a promising candidate for magnetocaloric applications, although its maximum magnetic entropy variation and relative cooling power values under 5 T are lower than those of FeCr₂S₄. The antiferromagnetic behavior of the monoclinic spinel FeV₂S₄ is confirmed with a Néel temperature of 133 K. In this material, a cationic distribution of Fe²⁺ ions was quantified on the two sites intercalated between hexagonal compact sulfur layers, with a higher mean hyperfine field observed in the metal-deficient layers. The sample FeVCrS₄ predominantly exhibits a monoclinic structure with a minor cubic phase similar to FeCr₂S₄. Mössbauer analysis indicates that approximately 20% of iron ions belong to this cubic phase, which is responsible for the observed ferrimagnetic behavior. The magnetocaloric properties of FeVCrS₄ are inferior to those of the compound single-phase FeCr₂S₄, confirming that the latter remains the most promising compound for magnetocaloric applications.
Ιnfluences du vieillissement hydrique sur les évοlutiοns du cοmpοrtement mécanique des structures sandwich utilisées pοur les pâles d'éοlienne en milieu marin (EΜR)
Doctorant·e
BA El Hadji Amadou
Direction de thèse
VIVET Alexandre (Directeur·trice de thèse)
GEHRING Florian (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
19/12/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
Iut Alencon montfoulon 61250 Damigny
Rapporteurs de la thèse
BOUVET CHRISTOPHE ISAE-SUPAERO
EL MAHI ABDERRAHIM UNIVERSITE LE MANS
Membres du jurys
ABIDA Marwa,
Maître de conférences,
Université de Lorraine
BOUVET CHRISTOPHE,
,
ISAE-SUPAERO
ECH-CHERIF EL KETTANI MOUNSIF,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
EL MAHI ABDERRAHIM,
,
UNIVERSITE LE MANS
GEHRING Florian,
Maître de conférences,
UCN - Université de Caen Normandie
VIVET Alexandre,
,
UCN - Université de Caen Normandie
Résumé
En 2020, en France, la Stratégie Nationale Bas Carbone a été mise en place afin d’atteindre le bilan
carbone neutre en 2050. Le projet COSPHI, collaboratif entre les laboratoires CIMAP (Université Caen
Normandie) et LOMC (Université du Havre) et financé par le LabEX EMC3, a pour objectif de proposer
un outil de mesure in-situ de la santé matière d’une pâle d’éolienne off-shore pour optimiser sa durée de
vie. Ce projet est une collaboration entre les laboratoires CIMAP (Université Caen Normandie) et LOMC
(Université du Havre). Ma thèse porte sur l’influence du vieillissement hydrique et des impacts mécaniques
sur l’endommagement et le comportement mécanique résiduel de structures sandwich utilisées pour la
fabrication de pâles d’éoliennes off-shore. Des échantillons sont complètement immergés dans de l’eau de
mer à 40°C avec ou sans impact mécanique. Des essais de flexion avec un suivi des endommagements par
émission acoustique permettent de mesurer le comportement mécanique en fonction de l’histoire du matériau.
La classification des salves acoustiques a confirmé la présence de 5 mécanismes d’endommagement :
fissuration matricielle, décohésion fibre/matrice, peau/âme et délaminage pli/pli et rupture de fibres. Les
évolutions des signatures acoustiques permettent de distinguer 3 phases de vieillissement. La première,
absorption d’eau durant les 16 premières semaines, est marquée par une augmentation des descripteurs
des salves acoustiques, principalement l’amplitude sonore, probablement à cause de la présence d’eau
dans les éprouvettes. Durant la deuxième phase s’étalant de 16 à 60 semaines, avec un taux hydrique
stabilisé, la réduction progressive des valeurs des descripteurs acoustiques traduit une altération des interfaces.
La phase de dégradation, à partir de 60 semaines d’immersion, associée à une hausse brusque
des descripteurs montre que la détérioration touche le volume de la structure en plus des interfaces. Sur
le plan macroscopique, au fur et à mesure du vieillissement hydrique, la tenue mécanique en flexion de la
structure sandwich connaît une baisse continue et non-linéaire jusqu’à atteindre une probabilité de ruine
accrue pour des niveaux de chargement faible. Un impact mécanique à 13,2 Joules, suffisant pour générer
un endommagement localisé mais non critique, accélère cependant de manière notable la propagation
des endommagements en créant autour de la zone impactée des amorces. Combiné à un vieillissement
hydrique avancé un impact en service peut devenir un incident critique.
Abstract
In 2020, in France, the National Low Carbon Strategy was implemented to achieve a neutral carbon
footprint by 2050. The COSPHI project, a collaboration between the CIMAP (Université Caen Normandie)
and LOMC (Université du Havre) laboratories and financed by LabEX EMC3, aims to propose
an in-situ measurement tool of the material health of an offshore wind turbine blade to optimize its
lifespan. My thesis focuses on the influence of water aging and mechanical impacts on the damage and
residual mechanical behavior of sandwich structures used for the manufacture of offshore wind turbine
blades. Samples are immersed in seawater at 40°C with or without mechanical impact. Bending tests
with damage monitoring by acoustic emission allow to measure the mechanical behavior according to the
material history. The classification of acoustic waves confirmed the presence of 5 damage mechanisms :
matrix cracking, fiber/matrix decohesion, internal skin and skin/core delamination, fiber breakage. The
changes in acoustic signatures allow to distinguish 3 aging phases. The first, water absorption phase
during the first 16 weeks, is marked by an increase in the acoustic wave descriptors, mainly the sound
amplitude, probably because of water in the specimens. During the second phase extending from 16 to 60
weeks, with a stabilized water content, the progressive reduction in the values of the acoustic descriptors
reflects an alteration of the interfaces. The degradation phase, from 60 weeks of immersion, with a sudden
increase in the descriptors shows that the deterioration affects the volume of the structure in addition
to the interfaces. On the macroscopic level, as the water ageing progresses, the mechanical resistance of
the sandwich structure decreases continuously and non-linearly until reaching an failure for low loading
levels. A mechanical impact at 13.2 Joules, sufficient to generate localized but non-critical damage, nevertheless
significantly accelerates the propagation of damage by creating incipients around the impacted
area. Combined with advanced water ageing, an impact in service can become a critical incident.
Μοdélisatiοn atοmistique de la transfοrmatiοn de phase austénite-ferrite dans les aciers
Doctorant·e
BORGES GOMES LIMA Yuri
Direction de thèse
LEDUE DENIS (Directeur·trice de thèse)
ZAPOLSKY HELENA (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
19/12/2024 à 09:30
Lieu de la soutenance
Université de Rouen, Groupe de Physique de matériaux, salle de conférence
Rapporteurs de la thèse
POLITANO OLIVIER Universite Bourgogne Europe
THUINET LUDOVIC Universite de Lille
Membres du jurys
DEMANGE GILLES,
,
URN - Université de Rouen Normandie
LEDUE DENIS,
,
URN - Université de Rouen Normandie
MOTTET CHRISTINE,
,
Aix-Marseille université
POLITANO OLIVIER,
,
Universite Bourgogne Europe
THUINET LUDOVIC,
,
Universite de Lille
VARVENNE CELINE,
,
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
ZAPOLSKY HELENA,
,
URN - Université de Rouen Normandie
Résumé
Cette thèse applique l'approche des Quasiparticles (QA) pour étudier les mécanismes à l'échelle atomique qui conduisent à la transformation de phase CFC à CC dans le fer. Dans un premier temps, cette étude se concentre sur le fer pur, fournissant des résulats détaillés sur la nature et le rôle des dislocations à l'interface CFC-CC. Il a été montré que l'interface CFC-CC est semi-cohérente, avec des marches, et contient deux réseaux de dislocations de transformations. L'approche des Quasiparticles a permis de révéler l'influence de la relation d'orientation sur les caractéristiques de l'interface. Bien que les relations d'orientation étudiées ont montré diférentes structures d'interface, il a été démontré que toutes suivent le même chemin de transformation atomique, dû au glissement des dislocations de transformation à l'interface. Il a été conclu que la transformation complète de CFC à CC implique le mécanisme de transformation de Kurdjumov-Sachs (KS) en deux variantes le long des lignes de dislocations, avec le mécanisme de transformation de Kurdjumov-Sachs-Nishiyama (KSN) qui émerge comme la moyenne de l'action des deux mécanismes KS. Cette description détaillée a servi de base pour l'étude des systèmes Fe-C, où la ségrégation du carbone à l'interface a été observée. De plus, il a été montré que les profils de concentration de carbone sont cohérents avec des conditions d'équilibre local à l'interface.
Abstract
This thesis applies the Quasiparticle Approach (QA) to investigate the atomic scale mechanisms driving the phase transformation from FCC to BCC structures in iron. Initially, the study focuses on pure iron, providing detailed results into the nature and role of dislocations, at the FCC-BCC interface. It was shown that the FCC-BCC interface is semi-coherent and stepped, with two sets of transformations dislocations at the interface. The QA framework reveals how each orientation relationship (OR) influences the interface characteristics. Although the ORs displayed different interface structures, all were ultimately found to follow the same atomic transformation path, driven by the glide of transformation dislocations at the interface. It was concluded that the complete FCC to BCC phase transformation involves the action of the Kurdjumov-Sachs (KS) transformation mechanism in two variants along the two sets of dislocations, with the Kurdjumov-Sachs-Nishiyama (KSN) mechanism emerging as the average of the two KS mechanisms. This detailed description served as a basis for the study of Fe-C systems, where carbon segregation at the interface was observed. Moreover, it was shown that the carbon concentration profiles were consistent with local equilibrium conditions at the interface.
Ρremières mesures de sectiοn efficace (n,alpha) avec le détecteur SCALΡ
Doctorant·e
CHEVALIER Aurelien
Direction de thèse
LECOUEY Jean-Luc (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
19/12/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
Laboratoire de Physique Corpusculaire de Caen - 6 Boulevard Maréchal Juin 14032 Caen
Rapporteurs de la thèse
DESSAGNE PHILIPPE Institut Hubert Curien
HADDAD FERID Nantes Université
Membres du jurys
BLIDEANU VALENTIN,
,
Université Paris Saclay
DESSAGNE PHILIPPE,
,
Institut Hubert Curien
HADDAD FERID,
,
Nantes Université
LECOLLEY Francois-Rene,
Maître de conférences,
UCN - Université de Caen Normandie
LECOUEY Jean-Luc,
Maître de conférences,
ENSICAEN
MANDUCI Loredana,
,
EAMEA
Résumé
Des données nucléaires fiables sont essentielles pour un large éventail d'applications, incluant l'industrie nucléaire. Les réacteurs à sels fondus sont des types de réacteurs utilisant un combustible nucléaire mélangé le plus souvent à un sel fluoré. Peu de mesures ont été effectuées sur la section efficace de la réaction 19F(n,α)16N et les écarts entre les mesures et les évaluations peuvent aller jusqu'à un facteur 3 à certaines énergies. L'incertitude sur la section efficace de cette réaction conduit à des incertitudes importantes sur les paramètres des réacteurs à sels fondus notamment sur le facteur de multiplication effectif. Pour mener à bien de nouvelles mesures de section efficace (n,α) sur des noyaux légers d'intérêt, le Laboratoire de Physique Corpusculaire de Caen a mis au point un nouveau dispositif, le détecteur SCALP. Ce dispositif utilise une chambre d'ionisation pour la mesure en énergie déposée et quatre photomultiplicateurs pour, à partir de la scintillation, déterminer le temps du vol (et donc l'énergie des neutrons) auprès d'installations délivrant un faisceau pulsé. Ainsi, le dispositif SCALP est capable à l'aide de la mesure en coïncidence de l'énergie déposée et de l'énergie cinétique des neutrons incidents d'identifier les voies de réaction (n,α) et de mesurer la section efficace des réactions (n,α) d'intérêt. La toute première expérience avec SCALP a été effectuée auprès de NFS, la ligne neutron de GANIL-SPIRAL2 à Caen. Ce travail de thèse porte sur l'analyse des données expérimentales ainsi que sur une simulation Monte-Carlo complète de l'expérience réalisée. Les résultats de section efficace de la réaction 19F(n,α)16N mesurées avec le détecteur SCALP confirment des structures observées dans des expériences précédentes et dans les évaluations. De plus, SCALP a permis la toute première observation de structures dans certaines gammes d'énergie neutron. Cependant, les résultats obtenus souffrent d'une grande incertitude systématique à cause des incohérences entre les méthodes de détermination de l'intensité du faisceau de neutrons.
Abstract
Reliable nuclear data are essential for a wide range of applications, including the nuclear industry. Molten-salt reactors are types of reactor using a nuclear fuel mixed most often with a fluorinated salt. Few measurements have been made of the cross-section of the 19F(n,α)16N reaction, and discrepancies between measurements and evaluations can be up to a factor of 3 at certain energies. Uncertainty in the cross-section of this reaction leads to significant uncertainties in molten-salt reactor parameters, particularly in the effective multiplication factor. To carry out new cross-section (n,α) measurements on light nuclei of interest, the LPC Caen has developed a new detector, the SCALP detector. This detector uses an ionization chamber to measure deposited energy and four photomultipliers to determine the time of flight (and therefore neutron energy) from scintillation at facilities delivering a pulsed beam. By coincidentally measuring the deposited energy and kinetic energy of incident neutrons, the SCALP device is able to identify the (n,α) reactions and measure thecross-section of the (n,α) reactions of interest. The first experiment with SCALP was carried out at NFS, the neutron line at GANIL-SPIRAL2 in Caen. This thesis work covers the analysis of experimental data as well as a complete Monte-Carlo simulation of the experiment carried out. The cross-section results of the 19F(n,α)16N reaction measured with the SCALP detector confirm structures observed in previous experiments and evaluations. In addition, SCALP has enabled the first-ever observation of structures in certain neutron energy ranges. However, the results obtained suffer from a large systematic uncertainty due to inconsistencies between methods for determining neutron beam intensity.
Simulatiοn et analyse de l'interactiοn entre une flamme hydrοgène/air et un chοc incident
Doctorant·e
YHUEL EMILIE
Direction de thèse
Date de la soutenance
18/12/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
CORIA
Rapporteurs de la thèse
Membres du jurys
Résumé
La transition énergétique implique le développement de la filière hydrogène pour décarboner le transport et le sto- ckage d’énergie. Toutefois, les propriétés de l’hydrogène compliquent son stockage et son transport comparé aux hydrocarbures, et sa sensibilité aux explosions représente un défi majeur en matière de sûreté. Pour mieux com- prendre et maîtriser son comportement, des expériences et simulations numériques sont indispensables, utilisant des méthodes spécifiques pour capturer ces phénomènes complexes. Dans ce manuscrit, le code SiTCom-B a été employé pour simuler l’interaction d’une flamme hydrogène-air avec un choc incident (FSI), en vue de reproduire les résultats expérimentaux du laboratoire ICARE. Une première étude 2D dans un demi-canal (h/2 = 3.5 cm) a été menée pour analyser l’effet des conditions thermiques des parois et des modèles de diffusion. Un allumage plan avec chimie détaillée est simulé, aboutissant à la formation d’une flamme "tulipe". Un choc incident à Mach Ms = 1.4 ou 1.9 interagit ensuite avec la flamme. Les phénomènes observés dans la littérature sont reproduits : des instabilités apparaissent sur le front de flamme et aux parois, et une couche limite réactive se développe après la deuxième FSI. Des parois isothermes (300 K) et une chimie complexe sont conservées pour la suite des simu- lations. Dans un second temps, une étude paramétrique est réalisée en utilisant les dimensions exactes du canal expérimental (h = 4.5 cm, l = 2.1 cm). Deux types d’allumage (sphérique et plan) sont étudiés, conduisant à des flammes "doigt-de-gant" ou "tulipe". L’effet Soret est analysé et s’est avéré non-négligeable lors de la propagation de flamme d’hydrogène, tout comme l’impact de la gravité qui désymétrise la flamme et influence la FSI. Deux nombres de Mach sont considérés : Ms = 1.9 et 2.4. Une première étude 1D montre un auto-allumage suivi d’une détonation (DDT) pour Ms = 2.4, observée ensuite en 2D et 3D, mais plus tôt à cause des réflexions d’ondes de pression sur les parois latérales. Seule la simulation 3D permet de reproduire avec fidélité l’effet de ces réflexions. Pour Ms = 1.9, les simulations 2D révèlent une focalisation de choc et une accélération de la flamme, influen- cées par l’asymétrie initiale de celle-ci. Enfin, la FSI expérimentale d’une flamme en doigt-de-gant avec un choc à Ms = 1.9 est simulée en 3D, intégrant les observations précédentes. La vitesse de propagation et la courbure de la flamme sont reproduites avec précision. Les schlieren numériques correspondent également bien aux schlieren expérimentaux, validant ainsi les hypothèses de modélisation.
Abstract
The energy transition implies the development of the hydrogen sector to decarbonize energy transport and storage. However, hydrogen’s properties make it more difficult to store and transport than hydrocarbons, and its sensitivity to explosions represents a major safety challenge. To better understand and control its behavior, experiments and numerical simulations are essential, using specific methods to capture these complex phenomena. In this manus- cript, the SiTCom-B code is used to simulate the interaction of a hydrogen-air flame with an incident shock (FSI), with the aim to reproduce experimental results from the ICARE laboratory. An initial 2D study in a half-channel (h/2 = 3.5 cm) has been carried out to analyze the effect of walls and diffusion models. A planar ignition with detailed chemistry is simulated, resulting in the formation of a “tulip” flame. An incident shock at Mach Ms = 1.4 or 1.9 then interacts with the flame. The phenomena observed in the literature are reproduced : instabilities ap- pear on the flame front and at the walls, and a reactive boundary layer develops after the second FSI. Isothermal walls (300 K) and complex transport are retained for further simulations. In a second stage, a parametric study is carried out using the exact dimensions of the experimental channel (h = 4.5 cm, l = 2.1 cm). Two ignition types (spherical and planar) are studied, leading to “finger-glove” or “tulip” flames. The Soret effect is analyzed and is shown to be non-negligible during hydrogen flame propagation, as well as the gravity that de-symmetrizes the flame and influences the FSI. Two Mach numbers are considered : Ms = 1.9 and 2.4. An initial 1D study shows auto-ignition followed by detonation (DDT) for Ms = 2.4, then observed in 2D and 3D, but earlier due to pressure wave reflections on side walls. Only 3D simulations allows for capturing these reflections with exactitude. For Ms = 1.9, the 2D simulations reveal shock focusing and flame acceleration, influenced by the flame’s initial asymmetry. Finally, the experimental FSI of a finger-glove flame with a shock at Ms = 1.9 is simulated in 3D, incorporating the previous observations. Flame propagation velocity and curvature are accurately reproduced. The numerical schlieren also correspond well to the experimental schlieren, validating the modeling assumptions.
Experimental investigatiοn οf innοvative Lοw ΝΟx / lοw sοοt injectiοn systems fοr spinning cοmbustiοn technοlοgy using advanced laser diagnοstics
Doctorant·e
MILEA ANDREI-SILVIU
Direction de thèse
Date de la soutenance
18/12/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
675, avenue de l’Université - BP 12, 76801 SAINT ETIENNE DU ROUVRAY CEDEX
Rapporteurs de la thèse
Membres du jurys
Résumé
Les effets anthropogéniques sur l’environnement posent un défi majeur pour l’industrie aéronautique. Des réglementations de plus en plus strictes et la nécessité de rendre le transport aérien durable orientent les recherches actuelles vers des systèmes propulsifs innovants. Dans ce contexte, Safran Helicopter Engines développe sa technologie brevetée de combustion giratoire (SCT), visant à améliorer les performances des moteurs d’hélicoptères. Déjà implémentée sur le moteur Arrano, cette technologie est davantage optimisée pour réduire significativement les émissions de NOx et de suies. Dans le cadre du programme européen LOOPS, deux nouveaux systèmes d’injection de carburant sont étudiés : l’un conçu pour un régime riche dans une chambre RQL, et l’autre pour une combustion pauvre. Cette thèse évalue expérimentalement ces systèmes à l’aide de diagnostics laser avancés, adaptés aux environnements réactifs à haute pression. Le banc HERON, développé au CORIA, permet d’analyser leurs performances de combustion et évaluer les émissions dans des conditions représentatives des moteurs d’hélicoptères : pressions de 8 à 14 bar, températures d’entrée d’air de 570 à 750 K, et richesses de 0,6 à 1,67. Des diagrammes de stabilité de flamme sont établis, suivis d’analyses des propriétés du spray liquide par PDPA (Phase Doppler Particle Anemometry). Les champs aérodynamiques sont mesurés en conditions réactive et non-réactive par PIV (Particle Imaging Velocimetry) ultra-rapide à 10 kHz. La structure des flammes est caractérisée par PLIF-OH, tandis que la PLIF-kérosène permet d’étudier l’évaporation du carburant en détectant les mono- et di- aromatiques. Les diagnostics couplés simultanément PLIF-NO, PLIF-OH et PLIF-kérosène corrèlent les structures des flammes, les distributions des phases liquide et vapeur, et les zones de formation de NO. De même manière, la PLII (Planar Laser-Induced Incandescence) couplé avec PLIF-OH, PLIF-kérosène permets d’analyser les mécanismes de formation et d’oxydation des suies. Des méthodes spécifiques déterminent des distributions 2D des concentrations de NO, OH et des fractions volumiques de suies. Les résultats montrent une flamme asymétrique pour l’injecteur riche, avec une efficacité de combustion élevé dans la partie supérieure grâce à une injection liquide augmenté localement. Malgré des richesses élevées, les niveaux de suies restent modérés, tandis que le NO se forme principalement près de la flamme, confirmant le mécanisme thermique de Zeldovich. L’injecteur en régime pauvre présente une structure de flamme typique des flammes swirlées stratifiées, malgré la légère asymétrique. Une meilleure évaporation du carburant y favorise une combustion plus efficace, réduisant la longueur de flamme et les NO, grâce à des températures de flamme plus basses. Cependant, des niveaux modérés de suies sont également observés malgré le régime pauvre. Les conditions opératoires influencent fortement les performances. À haute pression, l’atomisation du spray est accélérée, l’angle d’expansion du spray augmente, et les zones de recirculation interne sont renforcées, modifiant la structure des flammes. L’augmentation des émissions de suies par la haute pression est observée pour l’injecteur en régime riche, gardant une richesse constante sur l’ensemble des conditions testées, tandis que les niveaux de NO restent stables. Pour l’injecteur en régime pauvre, les conditions réactives avec une richesse minimale à haute pression atténuent les effets de la pression, stabilisant la production de suies tout en réduisant les concentrations de NO. Ces résultats mettent en évidence le potentiel des deux systèmes d’injection pour optimiser les performances tout en réduisant les émissions des futurs moteurs d’hélicoptères.
Abstract
Anthropogenic effects on the environment present a major challenge for the aeronautical industry. Increasingly stringent pollution regulations and the necessity for sustainable air transport are driving the nowadays research toward innovative propulsion systems. In this context, Safran Helicopter Engines is advancing its patented Spinning Combustion Technology (SCT), aimed at improving helicopter engine performance. Already implemented in the Arrano engine, SCT is now being refined to significantly reduce NOx and soot emissions. As part of the European LOOPS program, two novel fuel injection systems are under investigation: one operating in a rich combustion regime tailored for an RQL combustion chamber and the other designed for lean combustion. The scientific activity of this thesis focuses on the experimental characterization of these injection systems using state-of-the-art laser diagnostics optimized for high-pressure reactive environments. The HERON combustion facility at CORIA enables the analysis of combustion and pollutant performance under conditions representative of helicopter engines, with pressures from 8 to 14 bar, air inlet temperatures from 570 to 750 K, and equivalence ratios ranging from 0.6 to 1.67. Initial flame stability maps are established, followed by in-depth analyses of liquid spray properties using Phase Doppler Particle Anemometry (PDPA). High-speed Particle Imaging Velocimetry (PIV) captures aerodynamic fields under reactive and non-reactive conditions at 10 kHz. Flame structures are examined via OH-PLIF fluorescence imaging, while kerosene-PLIF evaluates liquid and vapor fuel distributions, particularly probing aromatic components in Jet A-1 kerosene. Furthermore, NO-PLIF imaging, combined with OH-PLIF and kerosene-PLIF, enables spatial correlations between flame structure, fuel distribution, and NO production zones. Soot formation and oxidation mechanisms are explored through Planar Laser-Induced Incandescence Imaging (PLII), integrated with OH-PLIF and kerosene-PLIF. Specific methods are developed to obtain 2D distributions of quantitative concentrations of NO, OH and soot volume fraction. Results reveal that the rich-burn injector produces an asymmetrical flame with enhanced upper-zone combustion efficiency due to locally intensified liquid fuel injection. Moderate soot levels are observed despite high equivalence ratios, while localized NO production, primarily near the flame, is attributed to the Zeldovich thermal mechanism. Conversely, the lean-burn injector forms a flame structure characteristic of stratified swirl flames, despite the minor asymmetry. Improved fuel evaporation leads to higher combustion efficiency, shorter flame lengths, and a reduction in NO formation, attributed to lower flame temperatures. In spite of the lean combustion conditions, moderate soot levels are measured for the second injector. Operating conditions strongly influence performance. Higher pressures accelerate spray atomization, increase spray expansion angles, and strengthen internal recirculation zones, reshaping flame structures. The increase in soot production at higher pressure is particularly demonstrated by the rich-burn injector due to constant equivalence ratios across all test conditions, while NO levels remain stable. For the lean-burn injector, leaner operation at elevated pressures moderates pressure effects, maintaining consistent soot levels and reducing NO concentrations. These findings highlight the potential of both injection systems for optimizing performance and reducing emissions in future helicopter engines.
Characterisatiοn οf viscοelastic films οn substrate by acοustic micrοscοpy. Direct and inverse prοblems.
Doctorant·e
MANOOCHEHRNIA Pooyan
Direction de thèse
ECH-CHERIF EL KETTANI MOUNSIF (Directeur·trice de thèse)
MARECHAL PIERRE (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
18/12/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
Amphi Prony
Rapporteurs de la thèse
CHEHAMI LYNDA UNIVERSITE POLYTECHNIQUE HAUTS DE FRANCE
LE CLEZIO EMMANUEL UNIVERSITE MONTPELLIER 2 SCIENCES ET TECH DU LANGUEDOC
Membres du jurys
ARCINIEGAS MOSQUERA ANDRES,
,
CERGY PARIS UNIVERSITE
CERTON DOMINIQUE,
,
Universite de Tours
CHEHAMI LYNDA,
,
UNIVERSITE POLYTECHNIQUE HAUTS DE FRANCE
ECH-CHERIF EL KETTANI MOUNSIF,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
LE CLEZIO EMMANUEL,
,
UNIVERSITE MONTPELLIER 2 SCIENCES ET TECH DU LANGUEDOC
LEDUC DAMIEN,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
MARECHAL PIERRE,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
SALAUN ANNE-CLAIRE,
,
UNIVERSITE RENNES 1
Résumé
Dans le cadre de cette thèse de doctorat, la caractérisation des films épais et minces déposés sur un substrat a été réalisée à l'aide de la microscopie acoustique via des algorithmes de résolution de problèmes directs et inverses. La méthode de Strohm est utilisée pour la résolution directe des problèmes, tandis qu'une variété de modèles mathématiques comprenant le modèle de la série de Debye (DSM), le modèle de la ligne de transmission (TLM) et la méthode spectrale utilisant le modèle de la rapport entre les réflexions multiples (MRM) ont été utilisés pour résoudre les problèmes inverses. Une application spécifique de la microscopie acoustique a été utilisée, consistant à monter des transducteurs à ondes planes à haute fréquence (50 MHz et 200 MHz) au lieu d'utiliser les transducteurs à focalisation traditionnels utilisés pour l'imagerie acoustique, ainsi qu'à utiliser le A-Scan à ondes complètes, qui pourrait être étendu à l'analyse en vrac des A-Scan consécutifs. Les modèles ont été validés expérimentalement par un film épais en époxy-résine d'une épaisseur d'environ 100μm et un film mince en vernis d'environ 8μm. Les paramètres caractérisés comprennent des paramètres mécaniques (par exemple la densité et l'épaisseur) ainsi que des paramètres viscoélastiques (par exemple la vitesse longitudinale acoustique et l'atténuation acoustique) et parfois le déphasage du transducteur.
Abstract
In the framework of this PhD thesis, the characterisation of the thick and thin films deposited on a
substrate has been done using acoustic microscopy via direct and inverse problem-solving algorithms.
Namely the Strohm’s method is used for direct problem-solving while a variety of mathematical models
including Debye series model (DSM), transmission line model (TLM) and spectral method using ratio
between multiple reflections model (MRM) have been used to solve inverse-problem. A specific
application of acoustic microscopy has been used consisting of mounting the plane-wave high frequency
(50 MHz and 200MHz) transducers instead of use of the traditional focus transducers used for acoustic
imaging as well as using full-wave A-scan which could be well extended to bulk analysis of consecutive
scans. Models have been validated experimentally by a thick film made of epoxy-resin with thickness
of about 100μm and a thin film made of polish of about 8μm. The characterised parameters include
mechanical parameters (e.g. density and thickness) as well as viscoelastic parameters (e.g. acoustic
longitudinal velocity and acoustic attenuation) and occasionally transducer phase-shift.
Sοurces paramétriques fibrées pοmpées par impulsiοns à fοrte dérive de fréquence : Ρerfοrmances et dynamique.
Doctorant·e
GUEZENNEC Tristan
Direction de thèse
HIDEUR AMMAR (Directeur·trice de thèse)
GODIN THOMAS (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
18/12/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
Sale de conférence du CORIA, Université de Rouen - Site Universitaire du Madrillet 675, avenue de l’Université - BP 12 76801 SAINT ETIENNE DU ROUVRAY CEDEX
Rapporteurs de la thèse
HANNA MARC Institut Superieur d'Optique
SYLVESTRE THIBAUT Université Bourgogne Franche-Comté
L'utilisation de la spectroscopie Raman cohérente dans divers domaines scientifiques a motivé la conception de sources optiques multi-longueur d'onde. Dans ce contexte, le développement d'amplificateurs paramétriques fibrés à dérive de fréquence (FOPCPAs), puis d'oscillateurs paramétriques fibrés à dérive de fréquence (FOPCPOs) a permis la génération d'impulsions ultra-courtes, énergétiques et accordables. Ces travaux de thèse portent sur l'étude de FOPCPOs suivant deux axes principaux : la montée en énergie de ces sources, avec ici une production d'impulsions portant plus de 1 µJ à cadence élevée, et l'étude de la dynamique de ces sources. Une comparaison avec un FOPCPA démontre ainsi l'intérêt des FOPCPOs, générant un train d'impulsions moins bruité qu'un FOPCPA équivalent. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à l'intégration de ces sources, permettant d'envisager l'utilisation de ces sources hors du laboratoire, mais aussi au développement de nouvelles méthodes de spectroscopie Raman de part la grande diversité de régimes qu'il est possible d'obtenir à partir de ces architectures.
Abstract
The use of coherent Raman spectroscopy in various scientific fields has led to the design of multi-wavelength optical sources. In this context, the development of fiber optical parametric chirped-pulse amplifiers (FOPCPAs), the fiber optical parametric chirped-pulse oscillators (FOPCPOs), has enabled the generation of ultrafast, energetic and tunable pulses. This thesis work focuses on the study of FOPCPOs along two main axes: the energy scaling of these sources, with here the production of pulses carrying more than 1 µJ at high repetition rate, and the study of the dynamics of these sources. A comparison with a FOPCPA demonstrates the benefits of FOPCPOs, which tend to generate a less noisy pulse train than an equivalent FOPCPA. This work pavs the way for the integration of these sources, enabling them to be used outside of the laboratory, and also for the development of new Raman spectroscopy methods, thnaks to the wide range of regimes that can be obtained from these architectures
Structure, écοlοgie et fοnctiοnnement trοphique des habitats grοssiers de la Μanche : Apprοche multi-échelle et influence anthrοpique
Doctorant·e
CHAUVEL Nathan
Direction de thèse
PEZY JEAN-PHILIPPE (Directeur·trice de thèse)
DEZILEAU Laurent (Co-directeur·trice de thèse)
WEILL Pierre (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
18/12/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
UMR 6143 Morphodynamique Continentale et Côtière
Rapporteurs de la thèse
AMEZIANE NADIA Museum Histoire Naturelle
OLIVIER FRÉDÉRIC Museum Histoire Naturelle
Membres du jurys
AMEZIANE NADIA,
,
Museum Histoire Naturelle
GRALL JACQUES,
,
OBSV INST UNIV EURO DE LA MER UNIVERSITE BREST
LAFITE ROBERT,
Professeur émérite,
URN - Université de Rouen Normandie
LE BOT SOPHIE,
Maître de conférences,
URN - Université de Rouen Normandie
OLIVIER FRÉDÉRIC,
,
Museum Histoire Naturelle
PEZY JEAN-PHILIPPE,
,
CNRS
THIEBAUT ERIC,
,
Sorbonne Université
WEILL Pierre,
Maître de conférences,
UCN - Université de Caen Normandie
Résumé
La Manche est une mer épicontinentale caractérisée par une histoire géologique singulière ainsi qu’un hydrodynamisme intense, avec 80 % de sa surface recouverte de sédiments grossiers. Les premières prospections benthiques, menées principalement dans les années 1960 et 1970, ont permis d’identifier qualitativement les communautés benthiques présentes et de constater que leur structuration est largement conditionnée par la nature des sédiments. Cependant, ce n'est qu'au début du XXIe siècle que des analyses quantitatives à plus ou moins grande échelle ont été réalisées, si bien que très peu d’études se sont intéressées de manière objective à la force de la relation entre benthos et sédiment. C’est dans ce contexte qu’intervient cette thèse, ayant pour objectif d’évaluer quantitativement la contribution des propriétés sédimentaires sur la structuration et le fonctionnement des communautés benthiques. Pour ce faire, des données d’abondance benthique collectées au cours des deux dernières décennies dans le bassin oriental de la Manche sont analysées à l’aide de différentes méthodes statistiques complémentaires, et ce pour différentes échelles spatiales. Les résultats indiquent une contribution relativement majeure des caractéristiques granulométriques quant à la distribution des communautés benthiques à l’échelle régionale, où environ 20% des variations des communautés peuvent être attribués à ce facteur seul. À une échelle plus locale, l’influence de dunes sous-marines a aussi pu être observée, entraînant l’existence d’une forte hétérogénéité de structure des communautés benthiques entre les creux et les flancs de dune. L’apport d’eau continentale, en particulier par des fleuves majeurs comme la Seine, exerce aussi une influence significative sur la structure et le fonctionnement des communautés benthiques de par les perturbations hydrologiques et sédimentaires que celui-ci génère. Enfin, les modifications sédimentaires induites par des activités anthropiques telles que l'extraction de granulats marins mettent en évidence l'importance cruciale des caractéristiques sédimentaires dans la structuration des communautés benthiques. Ces altérations soulignent non seulement le rôle déterminant des propriétés sédimentaires dans la répartition et le fonctionnement des écosystèmes benthiques, mais aussi la nécessité de prendre en compte ces paramètres essentiels lors de l'évaluation des impacts de telles activités.
Abstract
The English Channel is an epicontinental sea characterized by a unique geological history and intense hydrodynamics, with 80% of its surface covered by coarse sediments. Early benthic surveys, conducted primarily in the 1960s and 1970s, provided a qualitative identification of the benthic communities and demonstrated that their structuring is largely influenced by sediment characteristics. However, it was only in the early 21st century that large-scale quantitative surveys were conducted, meaning that few studies have objectively examined the strength of the relationship between benthos and sediment. This thesis aims to quantitatively assess the contribution of sediment properties to the structuring and functioning of benthic communities. To achieve this, benthic abundance data collected over the past two decades in the eastern basin of the English Channel were analyzed using various complementary statistical methods across different spatial scales. The results indicate a significant contribution of sediment grain size characteristics to the distribution of benthic communities at the regional scale, with approximately 20% of the observed community variation explained by this factor alone. At a more local scale, the influence of dunes was also observed, leading to strong structural heterogeneity between the troughs and slopes of the dunes. Additionally, continental freshwater inputs, particularly from major rivers such as the Seine River, exert a significant influence on the structure and functioning of benthic communities through the hydrological and sedimentary disturbances they generate. Finally, sediment modifications resulting from anthropogenic activities such as marine aggregate extraction highlight the critical importance of sediment properties in the structuring of benthic communities. These alterations not only underscore the decisive role of sediment characteristics in the distribution and functioning of benthic ecosystems, but also emphasize the need to consider these key parameters when assessing the impacts of such activities.
Recycling οf ΝdFeB magnets: densificatiοn study by spark plasma sintering
Doctorant·e
THONIKUZHIYIL Jefry Samson
Direction de thèse
NOUDEM Jacques (Directeur·trice de thèse)
BERNSTEIN Pierre (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
18/12/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
Large meeting room, CRISMAT (Building-G), Ensicaen
Rapporteurs de la thèse
BESSAIS LOTFI UNIVERSITE PARIS 12 VAL DE MARNE
KOBE SPOMENKA Institut Jozef Stefan
Membres du jurys
BERNSTEIN Pierre,
Professeur émérite,
UCN - Université de Caen Normandie
BESSAIS LOTFI,
,
UNIVERSITE PARIS 12 VAL DE MARNE
KOBE SPOMENKA,
,
Institut Jozef Stefan
LE BRETON JEAN-MARIE,
,
URN - Université de Rouen Normandie
NOUDEM Jacques,
,
UCN - Université de Caen Normandie
RIVOIRARD SOPHIE,
Directeur,
MagREEsource
SCHOENSTEIN FRÉDÉRIC,
,
UNIVERSITE PARIS 13 PARIS-NORD
Résumé
La communauté scientifique s'est concentrée sur les aimants permanents ces dernières années pour chercher des solutions crise des terres rares. Un grand volume d'aimants permanents contentant des terres rares, après utilisation, se retrouve en Déchets d'Équipements Électriques et Électroniques, qui peuvent être traités comme des ressources secondaires d'aimants permanents car fort potentiel de recyclage . Dans ce contexte, nous avons étudié deux méthodes de recyclage. Celle-ci se fait en deux étapes: la réduction en poudre des aimants puis le frittage de cette poudre pour reconstituer des aimants utilisables. Nous avons travaillé avec des poudres produites par deux techniques différentes: la synthèse solvo-thermale avec de l'éthanol et la décrépitation à l'hydrogène. Pour la synthèse solvo-thermale, les paramètres de traitement optimaux comprenaient 15 ml d'éthanol, 30 minutes de temps de réaction et une température de 100°C. La poudre recyclée résultante a montré une coercivité de 636,6 kA/m et une rémanence de 0,76 T. Le frittage par Spark Plasma Sintering (SPS) de cette poudre recyclée a permis d'obtenir à une densité relative de 96,2 % avec une coercivité de 492,26 kA/m et une rémanence de 0,6 T. Pour la décrépitation à l'hydrogène, les meilleures. poudres recyclées ont initialement présenté une coercivité de 374 kA/m et une rémanence de 0,63 T. Après l’étude du frittage SPS, une densité relative de 98 % a pu être atteinte avec une coercivité et une rémanence légèrement améliorées ; 445,6 kA/m et 0,75 T, respectivement.
Abstract
Scientific community has been focusing on permanent magnets in the past few years for seeking alternate solutions from the so-called the rare-earth crisis. A large volume of Rare-earth Permanent magnets, after consumed, ends as Waste of Electrical and Electronic Equipment (WEEE), which can be treated as secondary resources of Rare-earth permanent magnet as there is high recycling potential for such scrap magnets. Recycling requires two steps: i) the pulverization of the magnets to obtain a powder and ii) sintering this powder to make new magnets. We have used powders produced by two different techniques: the solvo-themal process with ethanol and hydrogen decrepitation. For the solvo-thermal process optimum treatment parameters included 15 ml ethanol, 30 minutes of reaction time, and a temperature of 100°C. The resulting recycled powder exhibited coercivity of 636.6 kA/m and remanence of 0.76 T. Spark Plasma Sintering (SPS) of this recycled powder resulted in 96.2% relative density with a coercivity of 492.26 kA/m and remanence of 0.6 T. Secondly, hydrogen decrepitation (HD) was implemented to the scrap NdFeB magnets. The best recycled powders initially exhibited a coercivity of 374 kA/m and remanence of 0.63 T. After SPS study, 98% relative density could be achieved with slightly improved coercivity and remanence; 445.6 kA/m and 0.75 T, respectively.
Μétaréseaux pοur la réflexiοn et la transmissiοn anοrmales de frοnts d’οnde acοustique dans l’eau
Doctorant·e
KOURCHI Hasna
Direction de thèse
LEON FERNAND (Directeur·trice de thèse)
BERNARD SIMON (Co-encadrant·e de thèse)
CHATI FARID (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
17/12/2024 à 10:30
Lieu de la soutenance
Amphithéâtre LOMC
Rapporteurs de la thèse
DUBUS BERTRAND Universite de Lille
KLAUSON ALEKSANDER TALLINN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ESTONIA
Membres du jurys
BERNARD SIMON,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
BRUNET THOMAS,
,
Université de Bordeaux
CHATI FARID,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
DUBUS BERTRAND,
,
Universite de Lille
KLAUSON ALEKSANDER,
,
TALLINN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ESTONIA
LEON FERNAND,
,
ULHN - Université Le Havre Normandie
MARCHIANO REGIS,
,
Sorbonne Universite
PENNEC YAN,
,
UNIVERSITE LILLE 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
Résumé
Un métaréseau est un assemblage périodique de diffuseurs conçu pour réfléchir ou réfracter une onde vers une direction anormale, non prévue par les lois de Snell-Descartes. Dans ce travail, nous avons conçu, fabriqué et caractérisé expérimentalement de tels métaréseaux pour le contrôle des ondes ultrasonores dans l’eau, en utilisant des tubes et des cylindres en laiton ainsi que des supports plastiques imprimés en 3D. Ces métaréseaux permettent de rediriger un front d'onde incident vers une direction arbitraire souhaitée, avec une efficacité élevée (proche de 100 %), aussi bien en réflexion sur une surface (comme l’interface eau/air) qu'en transmission. L’approche théorique repose sur les principes de la diffraction de Bragg et sur les interactions constructives et destructives des ondes. Les résultats de cette thèse démontrent l'efficacité des métaréseaux à induire des phénomènes acoustiques tels que la rétro-réflexion et la réponse asymétrique, grâce à l’utilisation de structures résonantes et non résonantes, validées par des simulations par éléments finis et des expérimentations. Cette recherche ouvre de nouvelles perspectives pour la manipulation des ondes acoustiques sous-marines, avec des applications potentielles dans les domaines de la détection, de l'absorption et de la réflexion des ondes en milieu marin.
Abstract
A metagrating is a periodic assembly of scatterers designed to reflect or refract a wave toward an anomalous direction, not predicted by Snell's law. In this work, we designed, fabricated, and experimentally characterized such metagratings for the control of ultrasonic waves in water, using brass tubes and cylinders as well as 3D-printed plastic supports. These metagratings enable the redirection of an incident wavefront to an arbitrarily desired direction with high efficiency (close to 100%), both in reflection on a surface (e.g., the water/air interface) and in transmission. The theoretical approach is based on the principles of Bragg diffraction and constructive and destructive wave interactions. The results of this thesis demonstrate the efficiency of metagratings in inducing acoustic phenomena such as retroreflection and asymmetric wave response, achieved through the use of resonant and non-resonant structures, validated by finite element simulations and experiments. This research opens new perspectives for the manipulation of underwater acoustic waves, with potential applications in the fields of wave detection, absorption, and reflection in marine environments.
Adsοrptiοn de l'isοbutanοl dans les zeοlithes : appοrt des analyses multivariées
Doctorant·e
ABOULAYT Reda
Direction de thèse
TRAVERT Arnaud (Directeur·trice de thèse)
VIMONT Alexandre (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
17/12/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
_
Rapporteurs de la thèse
BADAWI MICHAEL Université de Lorraine
CRISTOL SYLVAIN Université de Lille
Membres du jurys
BADAWI MICHAEL,
,
Université de Lorraine
BOURRELLY SANDRINE,
Maître de conférences,
Aix-Marseille université
CHIZALLET CÉLINE,
,
IFP Energies Nouvelles
CRISTOL SYLVAIN,
,
Université de Lille
TRAVERT Arnaud,
,
UCN - Université de Caen Normandie
VIMONT Alexandre,
,
UCN - Université de Caen Normandie
Résumé
Les méthodes analytiques classiques pour la caractérisation des propriétés d’adsorption de catalyseurs ou d’adsorbants, telles que l'analyse gravimétrique ou la calorimétrie, donnent des valeurs d’enthalpies moyennées sur différents sites d'adsorption. Dans cette étude, la spectroscopie IR in situ combinée aux analyses multivariées a été utilisée pour identifier et caractériser quantitativement l'adsorption d'alcools sur des zéolithes. La méthode de résolution multivariée de courbes par moindres carrés alternés – (MCR-ALS), utilisée pour la première fois dans le domaine de l'adsorption, nous a permis de récupérer des profils de réponse purs : profils spectraux, permettant l'identification d'espèces distinctes, et isothermes d'adsorption correspondants, permettant d'évaluer les paramètres d’adsorption par ajustement de courbe d'une isotherme locale telle que l'isotherme de Langmuir ou l'implémentation de l'isotherme en tant que contrainte rigide.
L’adsorption d’isobutanol dans des zéolithes acides (MFI et FER), la silice et la silicalite a été étudiée par spectroscopie infrarouge couplée ou non à des mesures gravimétriques puis analysée par des méthodes d’analyses multivariées pour distinguer l’adsorption sur les différents sites de la zéolithe, et en obtenir les paramètres thermodynamiques.
Une première étude quantitative a permis de déterminer les coefficients d’absorption molaires de la pyridine, de l’isobutanol et des hydroxyles d’une zéolithe MFI afin de déterminer les quantités adsorbées sur cette zéolithe et de montrer l’apport des analyses multivariées dans ce domaine.
La méthodologie MCR-ALS est ensuite développée puis appliquée pour l‘adsorption d’isobutanol sur une zéolithe MFI calcinée dans le but de déterminer les enthalpies et entropies d’adsorption propre à chaque espèce adsorbée. Trois modes d’adsorption ont été distingués pour ce système : l’adsorption de l’isobutanol sur la surface externe (Silanols), sur les aluminiums extra réseau dénommés EF-AlOH, et sur les micropores (hydroxyles pontés) de la zéolithe.
L’étude a été étendue à la précédente MFI ayant été vapotraitée à température modérée (773 K) et deux ferrierites avec des tailles de cristaux différentes. En ce qui concerne la MFI vapotraitée, la méthodologie a permis de mettre en évidence la présence d’une quatrième espèce correspondant à un autre type de Silanols (dénommé Silanols fort dans cette étude), apparaissant avec le vapotraitement. Il a aussi été constaté que le vapotraitement a augmenté les valeurs des enthalpies de chaque site acide.
L’application de la méthodologie FTIR-MCRALS sur les systèmes iBuOH/FER montre que l’adsorption a essentiellement lieu sur la surface externe et a mis en évidence la contribution de deux types de silanols.
Abstract
Classical quantitative analytical methods for the characterization of adsorbents such as gravimetric analysis or calorimetry yield enthalpy values averaged over the various adsorption sites. In this study, in situ IR spectroscopy combined with multivariate analysis has been used to identify and quantitatively characterize alcohol adsorption on zeolites. The method of multivariate curve resolution by alternating least squares – (MCR-ALS), used for the first time in the field of adsorption, enabled us to recover pure response profiles: spectral profiles, allowing the identification of distinct species, and their corresponding adsorption isotherms, allowing the evaluation of adsorption parameters by curve fitting a local isotherm such as the Langmuir isotherm or implementing the isotherm as a hard constraint.
Isobutanol adsorption on acid zeolites (MFI and FER), silica and silicalite was studied by infrared spectroscopy, coupled or not to gravimetric measurements, then analyzed by multivariate analysis methods to distinguish adsorption on the different zeolite sites, and obtain their thermodynamic parameters.
We began with a quantitative study to determine the molar absorption coefficients of pyridine, isobutanol and hydroxyls on an MFI zeolite, in order to quantify the quantities adsorbed on this zeolite, and to demonstrate the usefulness of multivariate analysis in refining this type of study.
The MCR-ALS methodology was then developed and applied to the adsorption of isobutanol on a calcined MFI zeolite, with the aim of determining the adsorption enthalpies and entropies specific to each adsorbed species. Three adsorption modes were distinguished for this system: adsorption of isobutanol on the external surface (Silanols), on the extra-lattice aluminums known as EF-AlOH, and on the micropores (bridged hydroxyls) of the zeolite.
The study was extended to the previous MFI steam-treated at moderate temperature (773 K) and two ferrierites with different crystal sizes. For the steamed MFI, the methodology revealed the presence of a fourth species corresponding to a different type of Silanols (referred to as strong Silanols in this study), appearing with steaming. It was also found that steam treatment increased the enthalpy values the acid sites of the MFI.
The application of FTIR-MCRALS methodology to iBuOH/FER systems shows that adsorption takes place mainly on the external surface and has identified the contribution of two types of silanols.
Synthesis οf selective small pοre nanοzeοlites fοr CΟ2 adsοrptiοn
Doctorant·e
MAGISSON Aymeric
Direction de thèse
MINTOVA SVETLANA (Directeur·trice de thèse)
DIB Eddy (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
16/12/2024 à 10:30
Lieu de la soutenance
Université de Caen (LCS, ENSICAEN), Bâtiment A, Amphithéâtre 1
Rapporteurs de la thèse
ARLETTI ROSSELLA UNIVERSITE DE MODENE ET DE REGGIO EMILIE
OKUBO TATSUYA The Tokyo University
Membres du jurys
ARLETTI ROSSELLA,
,
UNIVERSITE DE MODENE ET DE REGGIO EMILIE
DATURI Marco,
,
UCN - Université de Caen Normandie
DE WAELE VINCENT,
,
UNIVERSITE LILLE 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
DIB Eddy,
,
Université d'Orléans
MINTOVA SVETLANA,
Directeur de recherche,
CNRS
OKUBO TATSUYA,
,
The Tokyo University
Résumé
L'objectif principal de cette thèse de doctorat est le développement de zéolithes à petits pores
de taille nanométriques, ciblant une sélectivité d'adsorption élevée pour le CO2. Les deux
premiers chapitres présentent l'état de l'art actuel sur diverses caractéristiques et propriétés des
zéolithes, leurs voies de synthèse et applications. Les procédures de synthèse réalisées dans ce
travail de thèse et les techniques de caractérisation utilisées sont également présentées. Le
troisième chapitre décrit le comportement d'adsorption du CO2 à faible pression partielle dans
le réseau poreux de la chabazite nanométrique (CHA) synthétisée en présence de cations
calcium et baryum utilisés comme agents structurants. Le quatrième chapitre détaille la
cristallisation des phases pures et échantillons imbriqués de chabazite (CHA)/phillipsite (PHI).
Les performances des zéolithes obtenues sont évaluées en adsorption de dioxyde de carbone et
d'azote. Enfin, le cinquième chapitre présente le développement d'une procédure de synthèse
autonome pour des zéolithes nanométriques, et détaille les étapes suivies afin d’optimiser ses
conditions opératoires. Cette synthèse réalisée par un robot se situe à l'interface entre la synthèse
à grande échelle et l'expérimentation par criblage, offrant les moyens de reproduire facilement
des synthèses exigeantes.
Abstract
The main objective of this PhD thesis is the development of small-pore nanosized zeolites
targeting a high adsorption selectivity towards CO2. The first two chapters present the current
state of the art on various features and properties of zeolites, their synthesis routes, and
applications. The syntheses procedures carried out in this work and the characterisation
techniques used are presented. The third chapter describes the low partial pressure adsorption
behaviour of CO2 in the porous network of nanometric Chabazite (CHA) synthesised in the
presence of calcium and barium cations used as structure-directing agents. The fourth chapter
details the crystallisation of pure phases and intergrown chabazite (CHA)/Phillipsite (PHI)
zeolite samples. The performance of the obtained zeolites is evaluated in adsorption of carbon
dioxide and nitrogen. Finally, the fifth chapter presents the development of an autonomous
synthesis procedure for nanosized zeolites and details the steps involved in optimising its
operating conditions. This synthesis carried out by robot stands at the interface between largescale
synthesis and screening experimentation, providing the means to easily reproduce
challenging syntheses.
Achieving Enantiοpurity Τhrοugh Directed Evοlutiοn and Crystallizatiοn under Νοn-Equilibrium Cοnditiοns
Doctorant·e
PINÈTRE Clément
Direction de thèse
DUPRAY VALÉRIE (Directeur·trice de thèse)
BRANDEL CLEMENT (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
16/12/2024 à 10:00
Lieu de la soutenance
Amphi Perey - Batiment Blondel
Rapporteurs de la thèse
LEYSSENS TOM Université de Louvain
NOORDUIN WIM L Université d'Amsterdam
Membres du jurys
BAUDEQUIN CHRISTINE,
,
URN - Université de Rouen Normandie
BRANDEL CLEMENT,
,
URN - Université de Rouen Normandie
DUPRAY VALÉRIE,
,
URN - Université de Rouen Normandie
GOUTAUDIER CHRISTELLE,
,
Université Claude Bernard - Lyon 1
LEYSSENS TOM,
,
LOUVAIN
NOORDUIN WIM L,
,
Université d'Amsterdam
Résumé
La cristallisation est beaucoup utilisée pour isoler des molécules d’intérêt pharmaceutique sous formes énantiopures, ce qui nécessite que les énantiomère s’auto-discriminent à l’état solide. Malheureusement, ce comportement est imprévisible et rare (5-10%), car les deux énantiomères cristallisent majoritairement sous forme de composé racémique, empêchant toute résolution chirale par cristallisation. Réalisant que des conditions hors équilibres peuvent surmonter ces statistiques défavorables, nous avons exploré les comportements à l’état solide et les propriétés thermodynamiques de différentes séries de molécules analogues dérivées de trois composés model chiraux : le praziquantel, la proxyphylline, le paclobutrazol. Nos investigations ont conduit à trois approches clés pour améliorer les méthodes de résolution chirale par cristallisation : (i) une stratégie d’évolution dirigée basée sur les différences d’énergie entre les phases cristallines racémique et énantiopure, (ii) l’identification de caractéristiques moléculaires spécifiques favorisant la cristallisation de cristaux énantiopures et (iii) la conception d’une structure cristalline avec des capacités de discrimination chirale efficaces reposant sur une stratégie d’association hôte-invité. Ces avancées, reposant sur l’étude de dérivés chimiquement apparentés, ouvrent de nouvelles possibilités, précédemment inconsidérées, pour l’obtention d’énantiomères purs qui sont essentiels dans notre vie quotidienne.
Abstract
Crystallization is widely used for isolating biorelevant enantiopure molecules, which requires enantiomers to self-sort into separate enantiopure crystals. Unfortunately, this behaviour is unpredictable and rare (5-10%), as both enantiomers predominantly crystallize together into racemic crystals, hindering any such chiral sorting. Recognizing that non-equilibrium conditions may overcome these unfavourable statistics, we explored the solid-state landscapes and thermodynamic properties of different series of numerous analogous molecules derived from three distinct chiral cores: Praziquantel, Proxyphylline and Paclobutrazol. Our investigations led to three key approaches for enhancing crystallization-based chiral resolution methods: (i) A directed evolution strategy based on the energy differences between racemic and enantiopure crystal phases, (ii) the identification of specific molecular features favouring the crystallization of enantiopure crystals and (iii) engineering a crystal structure with efficient chiral discrimination capabilities that relies on a host-guest association strategy. These insights relying on the study of chemically related derivatives open new, previously unconsidered possibilities for isolating pure enantiomers that are essential in our daily lives.
