Convection naturelle à haut Rayleigh pour la Securité des réacteurs: 2ème année
Le postdoc est associé à la deuxième année du projet CORAYSE. La sécurité des réacteurs de type SMR est basée sur des systèmes passifs : le réacteur est placé dans une piscine où la chaleur résiduelle est évacuée par convection naturelle en cas d’accident. Toutefois à ce jour on n’appréhende pas, ni par le calcul ni sur la base d’expériences, l’échange thermique entre le réacteur et l’eau, car la convection naturelle n’a fait l’objet de corrélations d’échange thermique que jusqu’à des nombres de Rayleigh Ra de 10^12 (le nombre de Rayleigh Ra décrit le rapport entre le transport par convection naturelle et le transport diffusif). Pour un SMR, ce Ra peut dépasser 10^16. La maitrise par des calculs numériques et des expériences est donc un enjeu majeur de sécurité. Un tel objectif nécessite toutefois que plusieurs défis soient relevés :
• Un défi numérique : la capacité du code à modéliser de manière suffisamment précise et dans un temps raisonnable des écoulements turbulents à très haut nombre de Rayleigh est encore du domaine de la recherche. La simulation numérique aux plus hauts Ra envisagés représente un défi en termes de temps calcul, nécessitant des simulations sur des calculateurs « exascale ». Une adaptation des codes existants à cette situation est donc indispensable.
• Un défi expérimental : au niveau de la validation du code, la réalisation d’une expérience représentative, dans laquelle un nombre de Rayleigh supérieur à 10^16 puisse être atteint, nécessite une expérience à l’échelle 1 (donc très onéreuse), ou bien une expérience avec un autre fluide – par exemple l’hélium liquide - dont les propriétés physiques (viscosité, dilatation thermique,…) permettront d’atteindre en laboratoire des Rayleigh comparables.
Modélisation CFD des mouvements de gaz en cavités salines
Storengy, société du groupe Engie, est l’un des leaders mondiaux en matière de stockage souterrain de gaz. Storengy opère en particulier des cavités salines de stockage de gaz naturel. Les cavités sont localisées dans des couches de sel gemme à environ 1km de profondeur ; elles ont un volume de plusieurs centaines de milliers de m3. Ces stockages souterrains assurent une réponse rapide aux pics de consommation de gaz et également à la modulation saisonnière de la demande. Ils contribuent aussi à la sécurité de la fourniture d’énergie en permettant de faire face aux défaillances temporaires de sources d’approvisionnement de gaz naturel.
Storengy SAS s’est tourné, courant 2019, vers le CEA pour avoir un appui sur ces aspects. Une étude intitulée « Modélisation du stockage de gaz (CH4 et H2) en cavités salines avec TrioCFD » s’est déroulée en 2020. Des premiers calculs pour des cavités parallélépipédiques (géométrie simplifiée) en VDF (différences finies) monophasique en régime incompressible et quasi-compressible ont été menés. Ceux-ci ont mis en évidence que le modèle quasi-compressible implémenté dans TrioCFD ne permettait pas de prendre en compte les effets de la stratification du gaz en cavité. Un nouveau modèle « weakly-compressible » a été développé afin de rendre compte de la spécificité des écoulements en cavité.
L'objectif est de poursuivre ces travaux et de développer une modélisation thermo-hydraulique sur la base du modèle TrioCFD du stockage d’hydrogène en cavité dans des cavités de forme réaliste et en tenant des conditions d’opération des cavités (phases d’injection et de soutirage). Les simulations seront, dans un premier temps, réalisées
en gaz sec en tenant compte des échanges thermiques avec le massif, puis de en prenant en compte des échanges de masse avec la saumure.
Développement et application des méthodes de quantification inverse d'incertitudes pour la thermohydraulique dans le cadre du projet OECD/NEA ATRIUM
Concernant les méthodologies BEPU (Best Estimate Plus Uncertainty) pour l'analyse de sûreté des centrales nucléaires, l'une des questions cruciales est de quantifier les incertitudes d'entrée associées aux modèles physiques dans le code. Une telle quantification consiste à évaluer la distribution de probabilité des paramètres d'entrée nécessaires à la propagation de l'incertitude par une comparaison entre les simulations et les données expérimentales. Elle est généralement appelée Quantification d'Incertitude Inverse (IUQ).
Dans ce cadre, le Service de Thermohydraulique et Dynamique des Fluides (STMF) du CEA-Saclay a proposé un nouveau projet international au sein du groupe de travail WGAMA de l'OCDE/NEA. Il s'agit d'ATRIUM (Application Tests for Realization of Inverse Uncertainty quantification and validation Methodologies in thermal-hydraulics). Ses principaux objectifs sont de réaliser un benchmark sur des exercices pertinents de quantification de l'incertitude inverse (IUQ), de prouver l'applicabilité de la ligne directrice SAPIUM et de promouvoir les meilleures pratiques pour l'IUQ en thermohydraulique.
Il est proposé de quantifier les incertitudes associées à certains phénomènes physiques pertinents lors d'un accident de perte de réfrigérant (LOCA) dans un réacteur nucléaire. Deux exercices IUQ principaux de complexité croissante sont prévus. Le premier concerne l'écoulement critique à la rupture et le second est lié aux phénomènes de transfert thermique post-CHF. Une attention particulière sera consacrée à l'évaluation de l'adéquation des bases de données expérimentales pour l'extrapolation à l'étude d'un APRP dans un réacteur à échelle réelle. Enfin, les incertitudes du modèle d'entrée obtenues seront propagées sur un test d'effet intégral (IET) approprié pour valider leur application dans des expériences à plus grande échelle et éventuellement justifier l'extrapolation à l'échelle du réacteur.
Expérimentation et simulation numérique de l’emballement thermique des batteries au Lithium
Dans le contexte actuel de transition énergétique, les batteries au lithium constituent aujourd’hui une technologie incontournable pour répondre au fort enjeu du stockage de l’énergie électrique. Cependant, des sollicitations sévères de batteries Li peuvent conduire à un phénomène d’emballement thermique, pouvant aller jusqu’à un départ de feu voire une combustion explosive de la cellule ou de la totalité du pack batterie. Si ce phénomène est bien connu de la communauté scientifique, la R&D liée à la problématique de la sécurité des batteries est encore naissante et doit être consolidée. L’objectif global de ce post-doctorat consiste à développer une stratégie de modélisation et de simulation numérique du phénomène d’emballement thermique des batteries au Lithium soumises à des sollicitations sévères, dans le but de mieux comprendre le phénomène, estimer le risque de propagation thermique du fait de la combustion des gaz, ou encore étudier les conséquences mécaniques de l’emballement (interaction fluide structure). Cette stratégie s’appuiera sur des campagnes d’essais expérimentaux réalisées dans le cadre du postdoc, et sur les outils numériques développés au CEA, dont EUROPLEXUS et Cast3M. Les travaux s’organiseront en 3 volets : Compréhension et modélisation des phénomènes mis en jeu sur la base d’essais (tube à choc, tests abusifs), Développement d’un modèle numérique représentatif des phénomènes identifiés, Modélisation intégrant l’interaction fluide/structure (déformation de l’enveloppe sous l’effet de la montée en pression).
Développement et optimisation de techniques de rafinement de maillage adaptatif (AMR) pour des problèmes d'intéraction fluide/structure dans un contexte de calcul haute performance
Le CEA développe actuellement un nouveau code de simulation pour la mécanique des structures et des fluides compressibles : Manta. Ce code a pour double objectif d'unifier les fonctionnalités des codes historiques implicite et explicite du CEA et d'être nativement orienté vers le calcul intensif. Grâce à de nombreuses méthodes numériques (éléments finis, volumes finis, résolutions de problèmes implicites ou explicites, ...), Manta permet de simuler différents types de problèmes mécaniques dynamiques ou statiques pour la structure et le fluide, ainsi que l'interaction fluide-structure.
Dans le cadre de la recherche d'optimisation et de gain en temps de calcul, une des techniques incontournables pour améliorer la précision des solutions tout en maîtrisant les coûts de calcul est l'adaptation dynamique du maillage (ou AMR pour « Adaptive Mesh Refinement »).
Ce postdoc s'attache à la définition et à la mise en œuvre d'algorithmes d'AMR dans un contexte de calcul haute performance pour des problèmes faisant intervenir des fluides et des structures en intéraction.
Une tâche préliminaire consistera à implémenter des fonctionnalités de raffinement de maillage hiérarchique dans Manta (sous-découpage/fusion de cellules, transferts des champs, critères de raffinement, création de liaisons pour les « hanging-nodes »). Ces travaux se feront si possible en s'appuyant sur des librairies externes.
Dans un second temps, il s'agira d'optimiser les performances des calculs parallèles à mémoire distribuée. En particulier, il sera essentiel de définir une stratégie d'équilibrage de charge entre les processus MPI, en particulier dans le cadre de problèmes d'intéraction fluide/structure.
Enfin, en particulier pour des calculs explicites, il faudra définir et mettre en œuvre des techniques d'adaptation du pas de temps en fonction du niveau de raffinement.
Ces deux derniers points donneront lieu à une ou plusieurs publications dans des revues spécialisées.
Implantation et extension de la bibliothèque de solveur Alien dans la proto-application Hélix
Le travail du post-doctorant sera dans un premier temps d’intégrer la solution Alien dans Helix, de réaliser des évaluations de performances et d’usage en configuration solveur direct ou itératif. Ces évaluations seront réalisées sur divers architectures allant de la machine de bureau jusqu'aux supercalculateurs nationaux sur plusieurs centaines voire milliers de cœurs de calcul.
Dans un second temps, le post-doctorant traitera la possibilité d’ajouter de nouvelles fonctionnalités dans la bibliothèque Alien pour résoudre des systèmes non-linéaires composés d'équations et d'inéquations afin de pouvoir résoudre dans un cadre HPC certains de problèmes de mécanique comme les méthodes de champs de phase ou bien les problèmes de contacts, sujet encore ouvert dans la communauté. Les résultats seront comparés aux cas tests et benchmark classiques de l’état de l’art du domaine.
Le candidat intégrera l'équipe de développement d'Helix, constituée pour le moment de 3/4 personnes au sein du laboratoire LM2S d'une quinzaine de personnes. Le post-doc se réalise dans le cadre d'un projet transverse entre les différentes directions du CEA. Le candidat collaborera donc également avec les auteurs de la bibliothèque Alien, à la DAM du CEA.
Etude de regime transitoire de dispersion d’hélium pour simuler un relâchement accidentel d’hydrogène d’une pile à combustible
Le CEA et des partenaires industriels souhaitent améliorer leurs connaissances, modèles et moyens de gestion du risque d’un relâchement accidentel d’hydrogène d’une pile à combustible dans un volume partiellement confiné (typiquement un garage individuel). Le post doctorant réalisera l’étude expérimentale de l’écoulement transitoire d’un relâchement d’hélium (fluide simulant) pour différentes configurations : piles à combustible idéalisées avec différents rapports d’aspects et différentes tailles. Des mesures de concentration en hélium seront réalisées à l’aide de catharomètres, complétées éventuellement par des mesures de champs de vitesse (P.I.V). Des moyens de mitigation seront également testés. Enfin les modèles (analytique et/ou simulations numériques) seront comparés aux résultats expérimentaux.
Le post-doctorant sera accueilli dans un laboratoire qui a développé une expertise depuis plusieurs années sur le risque hydrogène, notamment en lien avec les nouvelles technologies de l’énergie (piles à combustible hydrogène). Plusieurs publications paraissent chaque année (thèses, chercheurs). Le travail du post-doctorant s’inscrit dans une collaboration organisme de recherche / industriels.
Calcul de perturbations et sensibilités par méthodes de Monte Carlo
La théorie des perturbations/sensibilités au premier ordre vise uniquement le calcul de la réactivité du réacteur. De nombreux défis existent quant à la généralisation et à l’applicabilité des algorithmes de pondération par le flux adjoint à l’analyse de sensibilité d’observables physiques arbitraires (« sensibilités généralisées »). Le développement de cette thématique constitue un axe fondamental de recherche pour la simulation Monte Carlo, avec des retombées attendues pour les simulations de criticité dans le code Monte Carlo TRIPOLI-4. Le post-doc s’intéressera donc au développement et au test de méthodes novatrices pour le calcul d’observables physiques pondérées par le flux adjoint, telles que les formes linéaires ou bi-linéaires (paramètres cinétiques, perturbations, sensibilités et sensibilités généralisées) d’intérêt pour la physique des réacteurs.
Simulation des écoulements d’hélium supercritique dans les circuits de refroidissements des tokamaks
Les futurs réacteurs de fusion de type tokamak (ITER, DEMO) devront démontrer la sûreté nucléaire de leurs systèmes, validée par des codes de thermo-hydraulique. Pour répondre à cette demande nous proposons de choisir comme outil de calcul scientifique le code CATHARE (code avancé de thermo-hydraulique pour les réacteurs à eau). Le travail proposé consistera à adapter le code CATHARE à l’hélium à basse températures et par la suite le comparer dans le cadre d’un benchmark avec les codes de la DRF et des données expérimentales disponibles au CEA Grenoble.
L’étude sera menée en trois étapes. Une première phase sera dédiée à une recherche bibliographique sur la thermo-hydraulique de l’hélium et à l’identification des relations de fermeture pour l’hélium monophasique. Dans un deuxième temps l’ingénieur implémentera ces lois dans le code. Enfin la dernière partie portera sur la validation des résultats. Cette validation consistera à réaliser un benchmark qui s’appuiera sur trois applications : étude d’une cryo-pompe, étude d’un circuit de décharge d’hélium super-critique et étude d’un câble supra-conducteur.
Analyse de la qualité numérique de codes à l’aide de CADNA, Verificarlo et Verrou
Les codes de calcul reposent sur l’arithmétique à virgule flottante pour représenter des nombres réels et les opérations qui leur sont appliquées. Or les réels ne peuvent en général pas être représentés de manière exacte par des nombres flottants. La précision finie de l’arithmétique à virgule flottante conduit à des erreurs d’arrondi qui peuvent s’accumuler. Avec l’augmentation de la puissance de calcul, la complexification des algorithmes et le couplage d’applications, il est crucial de pouvoir quantifier la robustesse d’une application ou d’un algorithme.
Les outils CADNA [1], Verificarlo [2] et Verrou [3] permettent d’estimer la propagation d’erreurs d’arrondi et de mesurer la qualité numérique des résultats. L’objectif de ce travail est d’utiliser ces trois outils dans les applications GYSELA [4,5] (utilisée dans le domaine de la fusion pour caractériser la dynamique des turbulences dans le plasma des Tokamaks) et PATMOS [6] (mini-application représentative d’un code de transport neutronique Monte Carlo) afin d’analyser la robustesse numérique de ces applications ou de certains de leurs algorithmes. Outre l’analyse de la qualité numérique des résultats, ces outils seront aussi utilisés afin d’évaluer s’il est possible de dégrader la précision (simple ou demi-précision au lieu de double) pour certains algorithmes permettant des gains sur l’empreinte mémoire et/ou les performances (vectorisation, taille des communications). Au-delà des enseignements sur les deux codes analysés, un second objectif est la mise en place d’une méthodologie qui pourrait s’appliquer à d’autres codes de calcul tirant parti des complémentarités de ces trois outils.