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L’hydrogène liquide est caractérisé par plusieurs limitations et défis importants qui restreignent son utilisation actuelle. L’un d’entre eux réside dans la perte énergétique par ébullition cryogénique associée au stockage, au transport et à la manipulation de l’hydrogène liquide, qui peut consommer jusqu’à 40 % de l’énergie de combustion disponible. L’hydrogène moléculaire existe sous deux formes allotropiques (isomères de spin), l’ortho-hydrogène et le para-hydrogène, différenciées par l’état du spin nucléaire des protons dans chaque atome d’hydrogène. Pour une température donnée, le rapport d’équilibre entre les concentrations d’ortho-hydrogène et de para-hydrogène : [𝑯𝟐, 𝒑𝒂𝒓𝒂]𝒆𝒒 et [𝑯𝟐, 𝒐𝒓𝒕𝒉𝒐]𝒆𝒒 peut être calculée [1], mais la cinétique de la conversion exothermique peut prendre des semaines lorsque la température est rapidement abaissée. C’est pourquoi il est important pour le secteur industriel de l’hydrogène de disposer d’une méthode fiable de mesure in situ de cette concentration.Une façon de mesurer ces concentrations consiste à utiliser les propriétés thermiques de l’hydrogène, telles que la différence d’enthalpie [2] ou la différence de conductivité thermique [3] entre l’hydrogène ortho et para. Le transport de la chaleur dans un fluide est généralement supposé être déterminé conjointement par les phénomènes d’advection et de diffusion. Dans certains cas spécifiques, le transport de la chaleur repose sur des processus complexes à l’échelle moléculaire qui peuvent potentiellement s’écarter du transport conventionnel par diffusion de la chaleur. Dans ces conditions, la conductivité thermique n’est plus un paramètre constant mais varie dans le temps et l’espace, ce qui entraîne un transport de chaleur plus rapide ou plus lent. Les fluides proches des conditions supercritiques, comme le dihydrogène dans les conditions cryogéniques, présentent par exemple une super diffusivité de la chaleur avec un transport beaucoup plus rapide que ce que l’on attend d’une diffusion normale [4]. Une bonne compréhension des propriétés de transport anormales de la chaleur dans des conditions non conventionnelles [5] ouvre la voie à des estimations de concentration plus robustes et plus rapides basées sur des mesures de conductivité thermique.[1] L. Barrón-Palos, R. Alarcon, S. Balascuta et. al., Determination of the parahydrogen fraction in a liquid hydrogen target using energy-dependent slow neutron transmission, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2011, 659, 579-586.
[2] J. Essler, C. Haberstroh, Performance of an ortho-para concentration measurement cryostat for hydrogen, AIP Conf. Proc., 2012, 1434 (1), 1865-1872.
[3] D. Zhou, G.G. Ihas and N.S. Sullivan, Determination of the Ortho-Para Ratio in Gaseous Hydrogen Mixtures, Journal of Low Temperature Physics, 2004, 134, 401-406.
[4] B. Zappoli, D. Bailly, Y. Garrabos et al., Anomalous heat transport by the piston effect in supercritical fluids under zero gravity, Phys. Rev. A, 1990, 41(4), 2264.
[5] A. Lemarchand, B. Nowakowski, G. Dumazer, and C. Antoine, Microscopic simulations of supersonic and subsonic exothermic chemical wave fronts and transition to detonation, Journal of Chemical Physics, 2011, 134, 034121.ActivitésLe post-doctorant devra participer à la conception d’un cryostat avec les ingénieurs de l’Institut Néel avant de réaliser le développement et la fabrication d’un capteur innovant, basé sur un transfert de chaleur à différentes températures au LGF à Mines Saint-Etienne, pour l’évaluation de la composition chimique d’un mélange gazeux. Un modèle de connaissance du capteur, basé sur les premiers principes physiques, ainsi qu’un modèle de comportement basé sur les données expérimentales de réponses du capteur à diverses excitations sont également prévues pour valider les mesures en conditions de laboratoire.– Conception d’un cryostat à l’Institut Néel
– Développement et fabrication d’un capteur innovant pour la composition chimique d’un mélange gazeux basé sur la différence de conductivité thermique des gaz à Mines Saint-Etienne. Détermination des incertitudes de mesure.
– Adaptation d’un banc gaz existant avec l’instrumentation associée pour la génération de mélanges gazeux à façon.
– Développement des modèles de connaissance et des modèles de comportement (modélisation du système capteur soumis à différents signaux de température) pour la prédiction de la composition d’un mélange gazeux.
– Validation du système de mesure ainsi que des modèles de prédiction de composition d’un mélange gazeux sur des gaz témoins (N2/O2/CO2) en condition laboratoire et à différentes températures.Compétences– Doctorat en physique des processus de transport, thermodynamique, physique de la matière condensée ou dans une discipline proche.
– La thématique du sujet est fortement multi-disciplinaire (mécanique des fluides, transferts, ingénierie, automatique) et implique également le développement numérique et expérimental. Le candidat devra donc faire preuve d’une grande polyvalence.
– Excellentes aptitudes à la communication écrite et orale.Contexte de travailLe projet est une collaboration entre l’Institut Néel (https://neel.cnrs.fr/) et le Laboratoire George Friedel (LGF – UMR 5307 – Mines Saint-Etienne https://www.mines-stetienne.fr/lgf/) dans le cadre du projet PARACHUTE, financé par l’ANR.
Encadrants: Dr. Patricia de Rango (CNRS Researcher), Guillaume Donnier-Valentin (IR – CNRS Néel), Philippe Camus (IR – CNRS Néel), Riadh Lakhmi (EC-LGF), Mathilde Rieu (EC-LGF) et Guillaume Dumazer (EC-LGF), Gaetan Becker (Fives CRYO).L’Institut Néel est un laboratoire propre du CNRS (rattaché au CNRS Physique) qui regroupe environ 300 permanents et 150 doctorants et post-doctorants. Laboratoire de recherche fondamentale en physique de la Matière Condensée, l’Institut Néel tisse également des liens interdisciplinaires avec la chimie, l’ingénierie et les sciences du vivant. Les principaux axes de recherche sont le magnétisme et l’électronique de spin, la photonique et l’optique non-linéaire, l’électronique quantique, moléculaire et à large bande interdite, les systèmes corrélés, fluides quantiques et supraconductivité, ou encore les matériaux pour l’énergie. Le post-doctorant recruté intègrera l’équipe Matériaux Rayonnements Structure (MRS), dont l’expertise s’étend des méthodes d’élaboration aux caractérisations structurales et fonctionnelles en s’appuyant sur des développements théoriques. Cette équipe travaille depuis de nombreuses années sur les hydrures métalliques pour le stockage de l’hydrogène, et dispose de plusieurs bancs de test sous hydrogène. Les chercheurs de l’Institut Néel bénéficient de l’appuie d’une douzaine de pôles technologiques, et en particulier du pôle Cryogénie dont l’activité porte sur la conception, la réalisation et la mise au point de dispositifs cryogéniques originaux.Les Mines de Saint-Etienne « École d’ingénieur.e.s responsable, moteur d’innovations à impact sociétal » traduit l’engagement de nos enseignants-chercheurs et de notre personnel administratif et technique pour relever les défis des grandes transitions du XXIe siècle. Forts d’une histoire de plus de 200 ans, de l’excellence de nos personnels et de nos étudiant.e.s, nous assurons des missions de formation, de recherche, d’innovation, de transfert vers l’industrie et de culture scientifique, technique et industrielle. Avec 2 500 élèves, 500 personnels, et un budget de 50 M€, nous rayonnons sur 3 campus dédiés à l’industrie des futurs, à la santé et au bien-être et à la souveraineté numérique et microélectronique, situés dans 3 métropoles majeures : Saint-Etienne, Lyon et Aix-Marseille-Provence. Classée par le magazine l’Etudiant dans le TOP 10 national et présente dans les classements internationaux, Mines Saint-Etienne est membre du réseau T.I.M.E. des meilleures « Technological Universities » mondiales et, par son appartenance à l’Institut Mines-Telecom, membre de l’Université Européenne EULIST. Le centre SPIN (Science des Procédés Industriels et Naturels), qui sera fortement impliqué dans le post-doc, développe, au sein de Mines Saint-Etienne, son expertise dans le domaine du Génie des Procédés appliqué aux systèmes dispersés : grains, particules, gouttes, bulles, milieux poreux. Il possède également des compétences en développement de capteurs et d’instrumentation.Le candidat sera amené à travailler sur les deux sites (à l’Institut Néel de Grenoble et aux Mines de Saint-Etienne).
Date de début du Post-doctorat : entre le 1er septembre 2025 et le 1er octobre 2025.Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l’autorité compétente du MESR.Contraintes et risquesRisques inhérents à la manipulation de fluides cryogéniques.
CNRS
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