Méthodes d'apprentissage profond avec quantification de l'incertitude pour l'émulation de simulateurs numériques coûteux
Dans le cadre de la propagation des incertitudes en simulation numérique, des modèles mathématiques de substitution, appelés métamodèles ou émulateurs, sont utilisés pour remplacer un modèle physico-numérique par un modèle statistique (ou d'apprentissage). Ce métamodèle est entraîné sur un ensemble de simulations disponibles et s'appuie le plus souvent sur des algorithmes d'apprentissage automatique (machine learning). Parmi les méthodes usuelles, la régression par processus gaussien (PG) a suscité un intérêt particulier car elle propose à la fois une prédiction et une incertitude sur le résultat, ce qui est très intéressant dans le contexte des études de sûreté ou des évaluations de risques. Cependant, ce métamodèle PG peut présenter certaines limites, notamment dans le cas de modèles très irréguliers. L'objectif du post-doctorat sera d'étudier l'applicabilité et le potentiel des approches d'apprentissage profond basées sur la théorie bayésienne pour repousser ces limites. Le travail sera axé sur les réseaux de neurones bayésiens et les PG profonds et consistera à étudier leur applicabilité sur des échantillons de taille moyenne, à évaluer leur avantage par rapport au simple PG et à évaluer la fiabilité de l'incertitude associée à leurs prédictions.
Stratégies innovantes en matière d'actinides mineurs utilisants des réacteurs à sels fondus
Dans le cadre du projet ISAC (Innovative System for Actinides Conversion) du plan France Relance, des esquisses de réacteurs à sels fondus (RSF) incinérateurs d'actinides mineurs doivent être proposées en réponse à différents objectifs d'intégration dans des évolutions prospectives du parc nucléaire français (stabilisation ou réduction de l'inventaire de plutonium et d’américium, minimisation de l'emprise du stockage profond, …) et des contraintes liées au cycle (inventaire plutonium et actinides mineurs existant, …). Les spécificités de ces réacteurs à sels fondus seront exploitées pour concevoir des stratégies de transmutation innovantes. Le post doctorat aura lieu au sein du Service de Physique des Réacteurs et du Cycle de l'institut IRESNE dont l’une des missions est d’étudier la faisabilité et concevoir des réacteurs de nouvelle génération. Le candidat développera des compétences en neutronique ainsi qu’en conception de réacteur de quatrième génération en lien avec des considérations de cycle et parc nucléaire.
Conception de systèmes nucléaires innovants refroidis par caloducs
Le double objectif de décarbonation de l’industrie et d’indépendance énergétique, compte tenu du contexte géopolitique actuel, ouvre de nouvelles perspectives et applications (cogénération, production d’hydrogène, etc.) à l’énergie nucléaire. Dans ce contexte, les MNR (Micro Nuclear Reactors), d’une puissance thermique de 2 à 50 MW, sont susceptibles de répondre à un éventail de besoins tout en offrant une grande fiabilité et une sûreté accrue.
Parmi les technologies de MNR, celle dont le cœur est refroidi à l’aide de caloducs contribue à une amélioration de la passivité du système global, en fonctionnement normal et également en cas d’accident.
Pour démontrer la faisabilité technologique de ce type de MNR, une étude de prédimensionnement d’un ou plusieurs types de caloducs fonctionnant à haute température, ainsi que du réseau complet refroidissant le cœur, est à mener. Une fois modélisé, le réseau de caloduc sera intégré et couplé au dimensionnement du cœur afin d’avoir un premier remontage de la chaudière nucléaire.
Nouvelles expériences dans le réacteur de recherche PULSTAR pour la validation de simulations multi-physiques REL
Le réacteur expérimental PULSTAR est situé à l'Université d'État de Caroline du Nord (NCSU) aux États-Unis. Il s'agit d'un réacteur à eau légère de type piscine de 1 MW alimenté avec un combustible REP.
L'approche actuelle pour valider le couplage multi-physique au CEA est exclusivement basée sur des données expérimentales issues de l'exploitation du parc de réacteurs REP, ce qui est aujourd'hui considéré comme insuffisant pour valider le couplage de modèles multi-physiques avancés.
Dans ce contexte, un travail post-doctoral est proposé au CEA Cadarache, dans l'objectif de contribuer aux spécifications d'un nouveau programme expérimental dans le réacteur PULSTAR pour la validation de modèles multiphysiques couplés, dans le cadre d’une collaboration avec le DoE américain ; un co-encadrement sera assuré par l'équipe de NCSU. Le programme expérimental permettra d'étudier le couplage entre les paramètres des modèles en régime permanent, ainsi que les effets de contre-réactions de neutronique/thermohydraulique/physique du combustible lors des transitoires, à l'échelle du crayon et du sous-canal en eau. Les transitoires de dynamique variable sont induits par des rampes d'injection de réactivité, le réacteur fonctionnant en puissance. Une instrumentation adaptée pour accéder aux températures locales de la pastille et de la gaine devra être proposée. Les mesures ainsi collectées, dans des conditions expérimentales parfaitement maitrisées, constitueront des données de référence pour la validation des simulations multiphysiques.
Le travail consistera notamment à :
- développer un jumeau numérique du cœur du réacteur expérimental, à l'échelle du crayon, avec les outils de simulation du CEA;
- proposer et étudier des configurations d'intérêt par simulation, pour contribuer à la définition des expériences pour les états stationnaires et transitoires ;
- contribuer à la définition de l'instrumentation possible pour l'expérience, en fonction des incertitudes-cibles.
Calculs d’évolution du combustible de cœurs de réacteurs par méthode de Monte-Carlo : vers une solution de référence
Bien que les calculateurs modernes permettent aujourd’hui d’accéder à des solutions dites « de référence » à l’aide de logiciels de simulation du transport des neutrons par méthode de Monte-Carlo, de telles solutions ne sont accessibles qu’en régime stationnaire.
Ce travail vise à explorer et tester, au moyen des outils actuels, des méthodes de pilotages des calculs Monte-Carlo permettant d’accéder à une solution de référence pour les grandeurs d’intérêt du cycle du combustible des réacteurs. Une telle solution, peu coûteuse en temps de calcul et occupation mémoire, présenterait un intérêt certain pour les processus de validation, maitrise des biais et incertitudes des outils de calcul.
Les études seront réalisées à l’aide de l’outil TRIPOLI-4® (couplé avec le solveur d’évolution déterministe MENDEL). Pour ce faire, des travaux approfondis devront être menés, par exemple, sur la représentation des fuites neutroniques, la normalisation des grandeurs calculées, la maîtrise du calcul de l’énergie déposée dans les différents milieux, le suivi détaillé de l’historique d’irradiation, l’interpolation des sections efficaces en fonction de la température, la sélection des isotopes d’intérêt. Il sera intéressant de comparer les méthodes mises en œuvre dans les différents outils de calcul d’évolution Monte Carlo existants.
Le post-doctorant sera positionné dans une équipe d’ingénieurs-chercheurs en physique des réacteurs. Il approfondira ses connaissances en simulations Monte Carlo et sur le processus de validation des grands logiciels de neutronique.
Unité dédiée à la production de Jet Fuel alimentée par un réacteur nucléaire et couplée à un procédé de capture de CO2 atmosphérique
Dans le contexte de l'atteinte des objectifs de neutralité carbone en 2050, le CEA évalue la pertinence du recours à une source nucléaire pour produire des carburants de synthèse pour l’aviation (Jet Fuel) par captation du CO2 atmosphérique. Résolument inscrit dans l’économie circulaire du carbone, le concept couple divers procédés de conversion thermochimiques et électrochimiques pour produire du kérosène à partir d’eau et de CO2 contenu dans l’air. La pertinence d’un tel couplage doit cependant être démontrée, notamment en termes d’efficacité énergétique, de capacité et de compétitivité.
A partir d’une première configuration de principe de ce que pourrait être une telle usine, le post-doctorant réalisera des simulations au moyen d’outils de calcul utilisés pour la préconception de systèmes énergétiques afin de proposer une configuration de couplage efficace du système de capture directe du CO2 (DAC) avec la centrale nucléaire. Il définira de manière préliminaire le mode de fonctionnement en exploitation de l’ensemble. Ensuite, en coordination avec un autre post-doctorant, il couplera cet ensemble avec les procédés de transformation en Jet Fuel en évaluant les flux de chaleur-électricité-CO2-hydrocarbures mobilisés, et il évaluera le bilan énergétique d’ensemble. Enfin, il proposera l’architecture préliminaire de ce qui pourrait préfigurer une future installation de valorisation du CO2 incluant des estimations d’indicateurs intégrant les contraintes techniques et réglementaires.
Le post-doctorant sera positionné dans une unité constituée d’ingénieurs et chercheurs spécialisés dans la conception innovante de systèmes nucléaires et de conversion d’énergie. Il développera une vision des enjeux et des perspectives des grands projets susceptibles de mobiliser des technologies nucléaires pour la décarbonation d’industries.
Interprétation des expériences SEFOR pour la validation multiphysique des simulations de Réacteurs à Neutrons Rapides
Dans le processus de Validation, Vérification de Quantification des Incertitudes (VVQI) des Outils de Calcul Scientifiques (OCS), la phase de validation se base sur l’exploitation des résultats expérimentaux et leur comparaison au calcul d’observables d’intérêt. Dans le cas de la neutronique, la base d’expériences concerne essentiellement des mesures obtenues en maquettes critiques à puissance nulle.
Toutefois, pour valider et qualifier les OCS pour des cœurs de puissance, l’inclusion des effets couplés est de première importance et il est nécessaire de prendre en compte un processus de VVQI « multiphysique ». Ce nouveau cadre nécessite de dépasser l’approche mono-discipline et d’intégrer l’impact des interactions des différents phénomènes sur les grandeurs d’intérêt : dépendances en température et densités des paramètres neutroniques (keff, distribution de puissance, contre-réactions spatiales), champ de température du triptyque combustible-gaine-caloporteur en fonction de la puissance dégagée, évolution de ces dépendances en irradiation.
En ce qui concerne la mesure de la contre-réaction par effet Doppler, il est intéressant d’exploiter le corpus d’expériences menées auprès du réacteur SEFOR dans les années 1970. Ce réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium à combustible mixte UPuO2 a été construit pour étudier l’effet Doppler, en support au programme de R&D sur les RNR aux US durant cette décennie (validation des codes de calculs de l’époque). Le cœur est basé sur un design spécifique qui permet de bien séparer l’effet Doppler lors de transitoires de réactivité.
Le travail proposé ici consiste en l’interprétation des expériences SEFOR (mesures en régimes nominal et transitoire) en mettant en œuvre une modélisation couplée neutronique/thermo-hydraulique/thermique combustible avec les OCS de dernière génération et de quantifier les impacts de cette modélisation sur les observables d’intérêt en comparant avec les résultats de calcul chainés classiques.