📅M. Roshal PEREPADAN SHAJU soutiendra ses travaux de thèse le Jeudi 22 octobre 2026 à 14h à l’INSTN Saclay

Cette thèse est préparée dans le Service de recherche en Corrosion et Comportement des Matériaux (Université Paris-Saclay, CEA), sous la direction de Guido ROMA, Directeur de Recherche au CEA-Saclay, et la codirection de Xavier COLIN, Professeur à l’ENSAM Paris.

Title // Multiscale computational investigation of the dielectric response of radio-oxidized polyethylene
Titre // Étude de la réponse diélectrique du polyéthylène par simulations multi-échelle
 

Composition du jury

Petru NOTINGHER, IES, CNRS UMR 5214, Université de Montpellier, France, Rapporteur
Claire LOISON, Université Claude Bernard Lyon 1, CNRS, Institut Lumière Matière, UMR 5306, France, Rapportrice
Claire LEMARCHAND, CEA-DAM-DIF, Arpajon, France, Examinatrice
Cindy ROUNTREE, CEA-Saclay, DRF, IRAMIS, SPEC, France, Examinatrice
Davide FABIANI, LIMES, DEI, University of Bologna, Italy, Invité

Abstract 
Polyethylene (PE) is a major insulating material used in many applications, including cable insulation in nuclear power plants, where radio-oxidation can modify its dielectric properties. Predicting the dielectric response of polymers remains challenging because electronic, vibrational, and mesoscale dynamical mechanisms act across different spatial and temporal scales, even at room temperature. This thesis builds semicrystalline PE models to investigate, at the atomistic scale, how radio-oxidation defects affect the dielectric response. The approach combines quantum level simulations, which describe the electronic response and vibrational contribution, with classical molecular dynamics, which captures polymer-chain dynamics at room temperature down to the GHz domain. Linear-response quantum calculations relate these contributions to the local atomic environment of the defects. Their comparison with molecular dynamics highlights the role of temperature and chain motion in the static dielectric constant, while structural analysis estimates how each defect affects crystallinity. Finally, analysis of the dipolar correlation function shows that defects couple differently with one another and with the PE matrix, increasing the permittivity and inducing dielectric-loss peaks that depend on defect type. Thus, the dielectric response of radio-oxidized PE cannot be inferred from defect polarity alone; it emerges from local chemistry, crystallinity, and molecular dynamics.

Résumé
Le polyéthylène (PE) est un matériau isolant majeur utilisé dans de nombreuses applications, notamment l’isolation des câbles dans les centrales nucléaires, où la radio-oxydation peut modifier ses propriétés diélectriques. Prédire la réponse diélectrique des polymères reste difficile, car des mécanismes électroniques, vibrationnels et dynamiques mésoscopiques agissent à différentes échelles spatiales et temporelles, même à température ambiante. Cette thèse construit des modèles de PE semi-cristallin afin d’étudier, à l’échelle atomique, l’effet des défauts de radio-oxydation sur la réponse diélectrique. L’approche combine des simulations quantiques, pour décrire la réponse électronique et la contribution vibrationnelle, avec la dynamique moléculaire classique, pour suivre les chaînes polymères à température ambiante jusqu’au domaine du GHz. Les calculs quantiques en réponse linéaire relient ces contributions à l’environnement atomique local des défauts. Leur comparaison avec la dynamique moléculaire met en évidence le rôle de la température et du mouvement des chaînes dans la constante diélectrique statique, tandis que l’analyse structurale estime l’effet de chaque défaut sur la cristallinité. Enfin, l’analyse de la fonction de corrélation dipolaire montre que les défauts se couplent différemment entre eux et avec la matrice de PE, augmentant la permittivité et induisant des pics de pertes diélectriques dépendant du défaut. Ainsi, la réponse diélectrique du PE radio-oxydé ne se déduit pas de la seule polarité des défauts, mais résulte de la chimie locale, de la cristallinité et de la dynamique moléculaire.

Keywords // Mots-clés

polyethylene; radio-oxidation; dielectric response; density functional theory; molecular dynamics; nuclear insulation

// polyéthylène; radio-oxydation; réponse diélectrique; théorie de la fonctionnelle de la densité; dynamique moléculaire; isolation nucléaire