Modélisation et expérimentation de stratégies d’optimisation de procédés de conversion du CO₂ gazeux par rayonnement.

Sujet détaillé

Introduction :

Ce stage s’inscrit dans un contexte général de décarbonation et, plus précisément, dans le développement de procédés non conventionnels, innovants de conversion du CO2 gazeux.

Au vu des enjeux climatiques, il est de grande importance de trouver des moyens de mitigation du CO2. Une stratégie est le développement de technologies de conversion du CO2. Plusieurs technologies sont en développement, par exemple par voie électrolytique ou encore thermochimique [1]. Une technique moins conventionnelle est la radiolyse [2]. La radiolyse consiste en l’utilisation de rayonnements ionisants (photons de haute énergie, particules chargées) pour induire des réactions chimiques d’intérêt.

L’étude de la radiolyse des gaz remonte au début du XXᵉ siècle, dans le prolongement des travaux fondateurs des Curie sur la radioactivité [3]. Sous l’action des rayonnements ionisants, le CO₂ se décompose en monoxyde de carbone (CO) et dioxygène (O₂). À noter, le CO est un produit d’intérêt comme vecteur énergétique et intermédiaire chimique pour la synthèse de nombreuses molécules comme les carburants de synthèse (e.g., procédé Fischer-Tropsch [4]).

Les performances de la radiolyse sont quantifiées par le rendement radiolytique, noté G, qui exprime le nombre de molécules formées pour 100 eV d’énergie absorbée. Dans le cas du CO₂, on note des valeurs de G(CO) de l’ordre de 4 à 8 molécules·100 eV⁻¹ [5]. Ce faible rendement limite aujourd’hui le développement de telle technologie. Une des causes principales de ce faible rendement réside dans les réactions favorables de recombinaison entre les produits formés (CO et O₂) conduisant à la régénération du CO₂ initial (CO + ½ O2 -> CO2).
Plusieurs stratégies sont étudiées pour limiter ces phénomènes et ainsi améliorer les rendements.

Objectifs du stage :

L’objectif de ce stage est de travailler sur une ou plusieurs de ces stratégies d’optimisation de la conversion du CO2 par l’utilisation de rayonnement ionisant. Ce stage a pour but de balayer l’ensemble des phases de développement d’une technologie, de la phase de recherche bibliographique, à la modélisation, au montage et au développement expérimental, jusqu’à la réalisation expérimentale. Ce stage s’articulera en plusieurs phases.

• Phase 1 : recherche bibliographique
  Cette phase de bibliographie a pour but de monter en compétence sur les différentes briques technologiques des stratégies d’optimisation.
• Phase 2 : modélisation
  Cette phase consistera en la mise en place de simulations de mécanique des fluides dans le but de comprendre les mécanismes sous-jacents à la méthode d’optimisation et de guider par la suite le développement expérimental. Ce travail reposera sur l’utilisation de logiciels de simulation (COMSOL), ou le développement d’un code Python.
• Phase 3 : développement/tests
  Sur la base des concepts et des simulations, le but de cette phase est la validation des différents blocs technologiques par leur prise en main et la réalisation de campagnes de tests afin de proposer un montage expérimental fonctionnel.
• Phase 4 : validation expérimentale
  Enfin viendra la validation du ou des concepts par l’utilisation du ou des montages expérimentaux développés.

Idéalement, le stage ira jusqu’à la réalisation expérimentale (Phase 4). Plusieurs sources de rayonnement ionisant sont envisageables : via des lasers sur une plateforme laser dans un autre laboratoire, via un accélérateur d’électrons présent dans le laboratoire d’accueil du stage.

Selon l’avancement, d’autres stratégies d’optimisation pourraient être abordées.

1. [1] Allie et al., Carbon Capture Science & Technology, 2025, DOI : 10.1016/j.ccst.2025.100496
2. [2] Ramirez-Corredores et al., Front. Energy Res., 2020, DOI: 10.3389/fenrg.2020.00108
3. [3] Wourtzel, Radium (Paris), 1919, DOI : 10.1051/radium:019190011010028900
4. [4] Dieteich et al., Energy Environ. Sci., 2020, DOI: 10.1039/D0EE01187H
5. [5] Willis et al., Can. J. Chem., 1970, DOI: https://doi.org/10.1139/v70-323

Lieu du stage

CEA Saclay, (91) Essonne, France

Conditions de stage

• Durée du stage : 6 mois
• Niveau d’étude requis : Bac+4/5
• Formation : Ingénieur/Master
• Poursuite possible en thèse : Oui
• Date limite de candidature : 1 janvier 2026

Méthodes, techniques :
Technologies gaz, Ionisation (faisceau électron et/ou laser haute intensité), analyse de gaz (RGA, FTIR, CO detector),

Langages informatiques et logiciels :
Logiciels standards: Word ou Excel.
Simulation via logiciel de simulation (COMSOL) ou développement d’un code interne (Python).

Responsable du stage

Antoine Dion
Tél. : +33 1 69 08 15 50
Email :

Responsable NIMBE / LIONS

Jean-Philippe Renault
Tél. : 01 69 08 15 50