Academic literature on the topic 'Dynamique moléculaire ab initio; DFT'

Simuler les propriétés des verres et fontes vitreuses est un besoin fondamental pour résoudre différents problèmes scientifiques et industriels, mais aussi pour mieux décrire le phénomène de la transition vitreuse dont la compréhension complète nous échappe. Parmi les méthodes de prédiction des propriétés des matériaux, les simulations par dynamique moléculaire (classique ou ab initio) apportent une masse de connaissances importantes et permettent de mieux comprendre la formation et les propriétés des verres. L’apprentissage machine permet maintenant d’épauler ces simulations et aussi de valoriser de nombreuses mesures expérimentales existantes. Il offre ainsi de nouveaux horizons pour la compréhension et l’utilisation du verre dans de multiples domaines, de l’industrie à la volcanologie.

La mesure de composition isotopique est utilisée dans l'étude du cycle biogéochimique du zinc ; cycle largement impacté par les activités anthropiques. Toutefois, l'interprétation de ces mesures réalisées sur des échantillons naturels ou synthétiques requiert la connaissance des propriétés isotopiques du zinc en condition d'équilibre (qui servent de référence) et la compréhension des mécanismes à l'origine des variations de composition isotopique. Dans ce travail, nous avons déterminé en réalisant des calculs quantiques, les constantes d'équilibre de fractionnement isotopique du zinc dans des phases solides et liquides. Nous avons mis en évidence les paramètres cristallochimiques qui contrôlent les propriétés isotopiques : la constante de force interatomique du zinc, les longueurs de liaisons Zn-premiers voisins et la charge électronique de ces premiers voisins. Nous avons réalisé un développement méthodologique permettant de calculer les propriétés isotopiques dans les phases liquides à partir de trajectoires de dynamique moléculaire à un coût réduit en temps de calcul. Nous avons montré à travers la modélisation du zinc aqueux, qu'une description raisonnable des forces de van der Waals par une fonctionnelle d'échange et de corrélation non locale est nécessaire à la stabilisation à conditions ambiantes du complexe hexaaquo zinc par rapport à d'autres complexes, réconciliant ainsi calculs et expériences. Ce travail met à disposition des études expérimentales une base de données cohérente de constantes d'équilibres isotopiques
Isotopic compositions are used to study the biogeochemical cycle of Zn, which is greatly impacted by anthropic activities. However, the interpretation of the measurements performed on natural or synthetic samples requires the knowledge of Zn isotope properties in equilibrium conditions (as reference) and the understanding of the mechanisms that are at the origin of the isotopic composition variations. In this work, we determined by performing quantum calculations, equilibrium Zn isotope fractionation constants in various phases including solids and liquids. We highlighted the crystal-chemical parameters controlling the isotopic properties : Zn interatomic force constant, Zn-first neighbours bond lengths and the electronic charge on atoms involved in the bonding. We carried out a methodological development in order to calculate isotopic properties in liquid phases from molecular dynamics trajectories at a reduced computational cost. We showed through the modelling of aqueous Zn that a reasonable description of van der Waals forces using a non-local exchange correlation functional is required to stabilise the experimentally observed hexaaquo zinc complex over other complexes at room temperature. This work provides a consistent database of equilibrium Zn isotope fractionation constants for experimental works

Cette thèse porte sur l'étude théorique de plusieurs systèmes et de certains de leurs processus dynamiques. En premier lieu, nous avons appliqué différentes méthodes de calcul de structure électronique à l'étude structurale de systèmes vitreux de gallium, lanthane et souffre pour lesquels des améliorations de leurs propriétés physiques ont été observées grâce à l'ajout de chlore. Nous avons confirmé que les résultats expérimentaux préalablement rapportés s'avèrent insuffisants pour expliquer ces observations et que ces études doivent être complétées par d'autres expériences. Notamment, nos calculs ont montré que des informations pertinentes peuvent être obtenues par l'étude de ces verres par spectroscopie vibrationnelle. En deuxième lieu, nous avons étudié le composé Ag2V4O11 (SVO) au moyen de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT). Ce composé est communément utilisé comme matériau d'électrode dans des batteries au lithium. Nous avons obtenu des résultats clarifiant une controverse relative à la structure cristalline du SVO, pour lequel trois structures différentes ont été rapportées. Nous avons ensuite fait une étude, par dynamique moléculaire ab initio, de la mobilité des ions métalliques dans ce système. Nos résultats donnent des informations aidant à la compréhension du mécanisme complexe d'insertion du lithium dans le SVO. Enfin, un cas de système non soumis à l'approximation de Born-Oppenheimer a été abordé. Nous avons simulé le processus de tunnel d'une particule quantique qui évolue dans un puits de potentiel métastable, et estimé son temps de tunnel, au moyen d'une méthode originale de dynamique moléculaire semi-classique. L'utilisation des méthodes de calcul ab initio pour l'étude de ces trois différents cas nous a permis d'évaluer leur capacité à élucider des problèmes de structure électronique et à décrire des phénomènes physico-chimiques existant dans des systèmes complexes
This work is about the theoretical study of several systems and some of their dynamical processes. First, we have applied different electronic structure calculation methods to the structural study of glass systems made of gallium, lanthanum and sulfur, whose physical properties have been observed to be improved by cesium chloride doping. We have confirmed that previously obtained experimental results are insufficient to explain this changes and that these studies must be completed by additional experiments. Particularly, our calculations have shown that pertinent informations could be obtained by studying these glasses by vibrational spectroscopy. Second, we have studied the compound Ag2V4O11 (SVO) by means of the Density Functional Theory (DFT). This compound is largely used as electrode material for lithium batteries. We have obtained results partly clarifying a controversy relative to the crystal structure of SVO, for which three different structures have been reported. We have then made an ab initio molecular dynamics study of the mobility of metallic ions in this system. Our results give useful informations for the understanding of the complex mechanism of lithium insertion on SVO. Lastly, we have studied a case of a system which is not under the Born-Oppenheimer approximation. We have simulated the tunneling process of a quantum particle evolving in a metastable potential well, and we have estimated its tunneling time, by means of an original semiclassical molecular dynamics method. The use of these ab initio calculation methods for the study of these three different cases has allowed us to evaluate their capacity to elucidate electronic structure problems and to describe physical-chemical phenomena existing in complex systems

Les catalyseurs d’hydrocraquage et d’hydroisomérization sont bifonctionnels, avec une fonction hydro-déshydrogénante et une fonction acide, une zéolithe protonée, pour isomériser et craquer les alcènes. Par dynamique moléculaire ab initio avancée, et avec prise en compte explicite des effets thermiques (300 – 500 K), nous avons étudié les mécanismes d’isomérisation et de craquage d’alcènes C7 dans la zéolithe chabazite dans le but d’obtenir des constantes de vitesse fiables et d’interpréter la distribution des produits.Par la méthode blue moon, nous avons établi les premiers profils d’énergie libre d’isomérisations d’alcènes C7, avec des carbocations intermédiaires (et des états de transition cyclopropanes protonés, PCP), reliant des isomères di- à tri- et mono- à di-branchés (Sections III et IV). Nos simulations démontrent que les effets dynamiques et l’échantillonnage correct des rotamères jouent un rôle crucial sur la stabilité des intermédiaires et des états de transition. Ces effets ne pouvaient pas être décrits par les précédentes études de DFT statiques. Les barrières bien plus basses pour l’isomérisation de type A sont ainsi retrouvées, et expliquées par un état de transition mou, alors que l’état de transition de l’isomérisation de type B est contraint, à cause de la formation d’un edge PCP. L’étude des réactions de craquage avec les mêmes méthodes (Section V) éclaircit le rôle des cations secondaires. Pour la première fois, nous identifions les états de transitions des β-scissions. Nous déduisons de cette analyse des constantes de vitesse ab initio qui pourront être utilisées dans un modèle cinétique pour prédire l’activité et la sélectivité du catalyseur
Hydrocracking and hydroisomerization catalysts are bifunctional, with a hydro-dehydrogenation function and an acidic function, typically an acid zeolite, to isomerize and crack alkenes. With advanced ab initio molecular dynamics approach, and explicit simulation of the effects of temperature (300 – 500 K), we investigate the mechanisms of isomerization and cracking reactions of C7 alkenes within the chabazite zeolite in order to provide reliable rate constants and explain the observed products distribution. By blue moon sampling, we established for the first time, the free energy profiles for the isomerization of C7 alkenes in zeolites, with carbenium ions as intermediates (and protonated cyclopropane (PCP) as transition states), connecting di- to tri-branched, and mono- to di-branched alkene isomers (Sections III and IV). We demonstrate that the dynamic effects with the correct sampling of rotational conformers play an important role to quantify the stability of the key intermediates and transition states. These effects could not be captured by previous static DFT simulations. The much lower barriers for type A isomerization mechanisms are thus recovered, and assigned to a loose transition state, while the transition state of type B isomerization is tighter, due to the formation of an edge PCP. The study of cracking reactions (Section V) with the same methods, unravel the role of secondary cations. For the first time, we identify the structures of transition states involved in the β-scission mechanisms. From this analysis, we deduce the ab initio- rate constants that could be used in future kinetic modeling to predict activity and selectivity of the catalyst

La mesure de composition isotopique est utilisée dans l'étude du cycle biogéochimique du zinc ; cycle largement impacté par les activités anthropiques. Toutefois, l'interprétation de ces mesures réalisées sur des échantillons naturels ou synthétiques requiert la connaissance des propriétés isotopiques du zinc en condition d'équilibre (qui servent de référence) et la compréhension des mécanismes à l'origine des variations de composition isotopique. Dans ce travail, nous avons déterminé en réalisant des calculs quantiques, les constantes d'équilibre de fractionnement isotopique du zinc dans des phases solides et liquides. Nous avons mis en évidence les paramètres cristallochimiques qui contrôlent les propriétés isotopiques : la constante de force interatomique du zinc, les longueurs de liaisons Zn-premiers voisins et la charge électronique de ces premiers voisins. Nous avons réalisé un développement méthodologique permettant de calculer les propriétés isotopiques dans les phases liquides à partir de trajectoires de dynamique moléculaire à un coût réduit en temps de calcul. Nous avons montré à travers la modélisation du zinc aqueux, qu'une description raisonnable des forces de van der Waals par une fonctionnelle d'échange et de corrélation non locale est nécessaire à la stabilisation à conditions ambiantes du complexe hexaaquo zinc par rapport à d'autres complexes, réconciliant ainsi calculs et expériences. Ce travail met à disposition des études expérimentales une base de données cohérente de constantes d'équilibres isotopiques
Isotopic compositions are used to study the biogeochemical cycle of Zn, which is greatly impacted by anthropic activities. However, the interpretation of the measurements performed on natural or synthetic samples requires the knowledge of Zn isotope properties in equilibrium conditions (as reference) and the understanding of the mechanisms that are at the origin of the isotopic composition variations. In this work, we determined by performing quantum calculations, equilibrium Zn isotope fractionation constants in various phases including solids and liquids. We highlighted the crystal-chemical parameters controlling the isotopic properties : Zn interatomic force constant, Zn-first neighbours bond lengths and the electronic charge on atoms involved in the bonding. We carried out a methodological development in order to calculate isotopic properties in liquid phases from molecular dynamics trajectories at a reduced computational cost. We showed through the modelling of aqueous Zn that a reasonable description of van der Waals forces using a non-local exchange correlation functional is required to stabilise the experimentally observed hexaaquo zinc complex over other complexes at room temperature. This work provides a consistent database of equilibrium Zn isotope fractionation constants for experimental works

La dynamique moléculaire ab-initio est utilisée pour étudier les verres de chalcogénures GeS2 et GeS2 dopés de formule (M2S)0.33(GeS2)0.66 M=Na,Ag. Une nouvelle méthode théorique d'analyse de la connectivité des matériaux amorphes est proposée en utilisant les recherches d'anneaux. L'effet de la vitesse de trempe sur les propriétés physiques des verres GeS2 est analysé. L'analyse de l'ordre à moyenne et courte portée révèle l'existence d'une vitesse de trempe maximale au dessus de laquelle la structure du matériau est trop proche de celle du liquide. Ceci est confirmé par les résultats des recherches d'anneaux qui permettent également de mettre en avant des différences fondamentales entre les connectivités des phases liquides et vitreuses du GeS2. Enfin la présence de zones chargées est confirmée dans les matrices vitreuses de GeS2, même aux plus basses vitesses de trempe. Les conditions nécessaires à la diffusion des atomes de sodium dans les matrices vitreuses (Na2S)0.33(GeS2)0.66 sont étudiées. Lorsque la diffusion apparaît le déplacement des atomes de sodium semble devenir coopératif. Des essais de paramétrisation sont réalisés pour tenter de modéliser les verres de chalcogénures (Ag2S)0.33(GeS2)0.66 et GeS2 à l'aide du code SIESTA.

La dynamique moléculaire ab-initio est utilisée pour étudier les verres de chalcogénures GeS2 et GeS2 dopés de formule (M2 S)0. 33 (GeS2 )0. 66 M=Na,Ag. Une nouvelle méthode théorique d'analyse de la connectivité des matériaux amorphes est proposée en utilisant les re- cherches d'anneaux. L'effet de la vitesse de trempe sur les propriétés physiques des verres GeS 2 est analysé. L'analyse de l'ordre à moyenne et courte portée révèle l'existence d'une vitesse de trempe maximale au dessus de laquelle la structure du matériau est trop proche de celle du liquide. Ceci est confirmé par les résultats des recherches d'anneaux qui permettent également de mettre en avant des différences fondamentales entre les connectivités des phases liquides et vitreuses du GeS2. Enfin la présence de zones chargées est confirmée dans les matrices vitreuses de GeS2 , même aux plus basses vitesses de trempe. Les conditions nécessaires à la diffusion des atomes de sodium dans les matrices vitreuses (Na2 S)0. 33 (GeS2 )0. 66 sont étudiées. Lorsque la diffusion apparaît le déplacement des atomes de sodium semble devenir coopératif. Des essais de paramétrisation sont réalisés pour tenter de modéliser les verres de chalcogénures (Ag2 S)0. 33 (GeS2 )0. 66 et GeS2 à l'aide du code SIESTA
Ab-initio molecular dynamics simulations are used to study GeS2 and (M2 S)0. 33 (GeS2 )0. 66 M=Na,Ag chalcogenide glasses. A new theoretical method which uses ring statistics is proposed in order to analyse the connectivity of amorphous materials. The cooling rate effect on the physical properties of the GeS2 glasses is analysed. The medium and short range order analysis reveals the existence of a maximum cooling rate above which the structure of the material is too similar to the one of the liquid. This is confirmed by the ring statistics analysis which also highlights major differences between the connectivity of the liquid and the glassy GeS2 structures. Finally the existence of extended charged regions in the glassy GeS2 matrix is confirmed even for the lowest cooling rates. The conditions needed to observe the diffusion of the sodium atoms in the glassy (Na2 S)0. 33 (GeS2 )0. 66 matrix are studied. When the diffusion process occurs the displacement of the sodium atoms seems to become cooperative. Parametrisation attempts are done in order to model (Ag2 S)0. 33 (GeS2 )0. 66 and GeS2 chalcogenide glasses using the SIESTA code

Cette thèse est consacrée à l'exploration du diagramme de phases de l'or à haute pression et haute température. Pour cela, le calcul de l'énergie libre est fondamental afin de comparer la stabilité relative des phases dans des conditions thermodynamiques spécifiques. Cependant, cette grandeur dépend explicitement de la fonction de partition, ce qui la rend difficile à calculer en simulation atomistique. Elle est souvent décomposée en contributions froide et thermique. Parmi ces contributions, les vibrations du réseau cristallin, les phonons, jouent un rôle crucial. En effet, les températures explorées induisent l'apparition d'effets anharmoniques, nécessitant l'emploi de la dynamique moléculaire ab initio, ici basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Cette méthode est la plus appropriée pour prendre en compte ces effets, que les potentiels interatomiques phénoménologiques existants ne parviennent pas à reproduire. Couplée à l'intégration thermodynamique, cette approche constitue une méthode de référence pour le calcul de l'énergie libre. Toutefois, elle reste très coûteuse en temps de calcul et est donc prohibitive pour construire le diagramme de phase complet de l'or. Des méthodes alternatives existent, comme l'approximation quasi-harmonique, mais leur validité à haute température est difficile à évaluer. L'objectif de cette thèse est donc de proposer une méthode efficace pour calculer l'énergie libre tout en conservant la précision de la DFT. Pour ce faire, une procédure d'échantillonnage accélérée par apprentissage automatique est employée. Elle permet d'entraîner des potentiels numériques de substitution, mobilisés a posteriori pour extraire les énergies libres de Gibbs des structures considérées via un calcul d'intégration thermodynamique hors équilibre. Les résultats obtenus ont été validés par comparaison avec ceux du potentiel effectif dépendant de la température. Dans une première partie, cette approche a été appliquée pour construire le diagramme de phases de l'or solide de 0 à 1 TPa et jusqu'à 10 000 K. Elle montre la stabilisation d'une phase cubique centrée (bcc) à haute température, autour de 200 GPa. Une explication de la transition cubique faces centrées (fcc)-bcc avant la fusion a été proposée, se basant sur les effets des constantes de forces interatomiques. Par ailleurs, les domaines de stabilité des phases fcc et hexagonale compacte (hcp) prédits par cette étude sont en bon accord avec la plupart des résultats expérimentaux récents. Dans la seconde partie, cette procédure a été étendue au calcul de la courbe de fusion de l'or
This thesis is dedicated to exploring the phase diagram of gold under high pressure and high temperature. Calculating the free energy is fundamental for comparing the relative stability of phases under specific thermodynamic conditions. However, this quantity explicitly depends on the partition function, making it challenging to calculate in atomistic simulations. It is often decomposed into cold and thermal contributions. Among these contributions, the lattice dynamics, or phonons, play a crucial role. The temperatures explored induce indeed anharmonic effects, necessitating the use of expensive ab initio methods, based on density functional theory (DFT) which are the most appropriate method to account for these effects that existing empirical potentials cannot reproduce. Coupled with thermodynamic integration, it is the reference method for calculating free energy. However, this method remains very time-consuming and is thus prohibitive to explore the whole phase diagram of gold. Alternative methods exist, such as the quasi-harmonic approximation, but its validity at high temperature is difficult to assess. The goal of this thesis is to propose a method that maintains DFT accuracy while reducing computation time. To achieve this, an accelerated sampling procedure using machine learning is employed. This procedure allows for the training of surrogate potentials, which are then used a posteriori to extract the Gibbs free energies of the considered structures via a non-equilibrium thermodynamic integration calculation. The results obtained have been validated by comparison with those from the temperature-dependent effective potential. In the first part, this approach was applied to construct the phase diagram of solid gold from 0 to 1 TPa and up to 10,000 K. It shows the stabilization of a body-centered cubic (bcc) phase at high temperatures, around 200 GPa. An explanation for the cubic face-centered (fcc)-bcc transition before melting was proposed, based on the effects of interatomic force constants. Furthermore, the stability domains of the fcc and hexagonal close-packed (hcp) phases predicted by this study are in good agreement with most recent experimental results. In the second part, this procedure was extended to calculate the melting curve of gold

Ce mémoire présente une méthodologie théorique pour comprendre l'origine de différence de comportement dynamique de complexes alkylidènes, catalyseurs de type Schrock de la métathèse des oléfines, greffés un support de silice amorphe. Dans un travail antérieur, les différences entre les valeurs de l'anisotropie de déplacement chimique (CSA) obtenues par des mesures de RMN du solide et celles estimées par le calcul pour des systèmes figés avaient conduit à suggérer des régimes dynamiques différents pour ces complexes, certains étant proposés comme immobiles, d'autres comme mobiles. Dans le premier groupe se trouve les complexes du molybdène et dans le second les complexes du tungstène, rhénium et tantale. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes donc attachés à mettre en place une méthodologie pour déterminer ces CSA et donc la nature de la dynamique de chaque système qui conduit au CSA moyenné. Nous nous sommes d'abord intéressés à des systèmes moléculaires pour révéler des interactions non covalentes entre les complexes et le support silice à partir d'une approche de type petit cluster en utilisant divers niveaux de calculs DFT et modèles moléculaires. Cette modélisation moléculaire de la silice étant insuffisante, nous avons entrepris une modélisation de la surface de silice amorphe par dynamique moléculaire classique dont les caractéristiques ont été comparées aux données expérimentales existantes. Le comportement dynamique de ces systèmes greffés sur silice amorphe a été simulé par dynamique moléculaire ab initio QM/MM, couplant une description quantique du complexe organométallique à une description classique du support. Ces études dynamiques ont conduit à des valeurs de CSA moyennées dans le temps de la dynamique. La comparaison de ces valeurs calculées et des valeurs expérimentales a permis d'apporter des éléments de réponse sur l'origine des différences de comportement dynamique de ces complexes alkylidènes. De façon remarquable des mouvements d'ensemble des espèces greffées par rapport à la surface de silice et des modification de la coordination du métal par l'apparition d'interaction agostique contribuent à moyenner le CSA.

Ces dix dernières années, une nouvelle chimie de l'hydrogène avec les métaux a été observée sous hautes pressions. Des composés très riches en hydrogène, appelés superhydrures, se forment dans le domaine des 100 GPa. Certaines propriétés remarquables de ces composés ont été mises en évidence comme une supraconductivité BCS à très haute température critique, dans le superhydrure de lanthane (LaH₁₀) avec un sous-réseau en cages d'hydrogène et une supraconductivité à -23° C. Une question très actuelle est de savoir si de tels composés peuvent être stables à pression ambiante et la piste des hydrures ternaires est actuellement explorée. Dans un premier temps, grâce à des calculs de dynamique moléculaire ab initio, nous avons mis en évidence une nouvelle propriété de LaH₁₀ : la superionicité, qui indique une diffusion très rapide des ions hydrures. La superionicité stabilise également LaH₁₀ à très haute température. Cette propriété devrait exister pour d'autres superhydrures. Dans un second temps, nous avons recherché des hydrures ternaires dans le système Y-Fe-H. En comprimant, sous forte pression d'hydrogène dans une presse à enclumes de diamant, le composé de Laves YFe₂, bien connu pour ses capacité de stockage d'hydrogène à pression ambiante, nous avons découvert deux hydrures interstitiels, YFe₂H₆ et YFe₂H₇. Nous avons également démontré une limite à l'incorporation d'hydrogène dans ce type de composés. Ces deux composés ne sont pas stables à pression ambiante. Enfin, à l'aide d'un chauffage laser, nous avons synthétisé l'hydrure ternaire Y₃Fe₄H₂₀ qui a pu être ramené métastable à pression ambiante. La structure et les propriétés de ce superhydrure ont été caractérisées par diffraction X sur monocristal et par calculs ab initio. Une structure inédite pour un hydrure est mise en évidence avec des entités anioniques [FeH₈] reliées entre elles et formant des cages autour des cations d'yttrium. Ce composé est métallique et cette structure pourrait servir de modèle pour trouver un hydrure ternaire supraconducteur stable à pression ambiante
Over the past ten years, a new chemistry of hydrogen with metals has been observed under high pressures. Very hydrogen-rich compounds, called superhydrides, form in the 100 GPa range. Remarkable properties of these compounds have been highlighted, such as BCS superconductivity at very high critical temperatures, like LaH₁₀ with a hydrogen cage sublattice and superconductivity at -23 ° C. A current question is whether such compounds can be stable at ambient pressure, and the path of ternary hydrides is currently being explored. Firstly, using ab initio molecular dynamics calculations, we have revealed a new property of LaH₁₀ : superionicity, which indicates very rapid diffusion of hydride ions. This property should exist for other superhydrides. Secondly, we have searched for ternary hydrides in the Y-Fe-H system. By compressing, under high hydrogen pressure in a diamond anvil press, the Laves phase compound YFe₂, well known for its hydrogen storage capacity at ambient pressure, we discovered two interstitial hydrides, YFe₂H₆ and YFe₂H₇. We also demonstrated a limit to hydrogen incorporation in this type of compound. These two compounds are not stable at ambient pressure. Finally, using laser heating, we synthesized the ternary hydride Y₃Fe₄H₂₀, which was brought back metastable at ambient pressure. The structure and properties of this superhydride were characterized by single-crystal X-ray diffraction and ab initio calculations. An unprecedented structure for a hydride is highlighted with [FeH₈] anionic entities linked to each other and forming cages around yttrium cations. This compound is metallic and this structure could serve as a model to find a ternary hydride superconductor stable at ambient pressure

(U,Pu)O2 (aussi appelé MOX) est actuellement utilisé comme combustible dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisée (REP) avec une teneur massique en Pu d’environ 10 %. Il est également envisagé comme combustible de référence pour les réacteurs à neutrons rapides à caloporteur sodium, avec une teneur massique en Pu d’environ 25 %. En conditions opérationnelles, (U,Pu)O2 est soumis à des réactions de fission qui génèrent une grande quantité de défauts et de produits de fission. Par migration, ces défauts et produits de fission gazeux peuvent s'agréger en nano-cavités, dislocations et bulles de gaz, conduisant à une modification de la microstructure. Une meilleure description du comportement du combustible à l’échelle atomique, notamment des mécanismes élémentaires impliqués dans la diffusion des défauts et des produits de fission, est donc nécessaire pour affiner les modèles utilisés dans les codes de performance des combustibles. Pour l’étude des propriétés de (U,Pu)O2, nous avons effectué des calculs de structure électronique basés sur la méthode DFT+U combinée au contrôle des matrices d’occupation des orbitales corrélées. Des minimisations d’énergie ainsi que la dynamique moléculaire ab initio ont été utilisées. Nous avons étudié dans un premier temps les propriétés du cristal de (U,Pu)O2 pour différentes teneurs en Pu. Nous avons ensuite étudié la stabilité des défauts ponctuels ainsi que les modifications structurales et électroniques induites par ces défauts ponctuels dans (U,Pu)O2 et (U,Ce)O2, matériau utilisé comme simulant de (U,Pu)O2. Enfin, nous avons étudié le piégeage et la solubilité des gaz de fission (Kr, Xe) et de l’hélium dans la matrice de (U,Pu)O2
(U,Pu)O2 (commonly called MOX) is currently used as nuclear fuel in pressurized water reactors with a Pu content of around 10 wt.%, and is envisaged as the reference fuel in Generation IV sodium fast reactors (SFR) with a Pu content of around 25 wt.%. Under operation, (U,Pu)O2 is submitted to fission reactions which generate a large quantity and variety of point defects, as well as fission products. By migrating, point defects and gaseous fission products can aggregate into nano-voids, dislocations and fission gas bubbles, which lead to the modification of the fuel microstructure. Therefore, a better description of the fuel behaviour at the atomic scale, and especially of the elementary mechanisms involved in the diffusion of point defects and fission products, is necessary to refine the models used in the fuel performance codes used to simulate the behaviour of fuels at the macroscopic scale. We use electronic structure calculations based on the DFT+U method combined with the occupation matrix control scheme (OMC) to investigate (U,Pu)O2 properties for various Pu contents. Static energy minimizations and ab initio molecular dynamics were used. We have first determined bulk structural, electronic and thermodynamics properties of (U,Pu)O2. We then studied the stability of point defects in (U,Pu)O2 and (U,Ce)O2, as well as the structural and electronic modifications induced by these point defects, in (U,Pu)O2 and the common experimental surrogate (U,Ce)O2. Finally, the fission gas (Kr and Xe) and helium (He) trapping and solubility in (U,Pu)O2 matrix are investigated