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.
Modélisation thermo-aéraulique d’un réacteur d’incinération
Le laboratoire des Procédés Thermiques Innovants (LPTI) du CEA Marcoule développe un procédé d’incinération-vitrification In-Can (PIVIC) visant le traitement des déchets mixtes organiques/métalliques générés par les installations de production du combustible MOX. Le programme de développement de ce procédé s’appuie sur des essais réalisés sur prototype échelle 1 mais également sur l’exploitation de l’outil de simulation numérique.
Le modèle thermo-aéraulique du réacteur d’incinération PIVIC, développé sous le logiciel Ansys-Fluent est bâti sur une articulation de modèles élémentaires (plasma, pyrolyse, combustion, transport particulaire).
Le travail proposé consiste à perfectionner le modèle, notamment en ce qui concerne les composantes pyrolyse/combustion : complexification de la chimie réactionnelle, prise en compte du caractère instationnaire du processus… Le niveau de représentativité du modèle thermo-aéraulique sera évalué sur la base d’une étude comparative exploitant des données expérimentales issues d’essais sur prototype. Parallèlement à ces travaux de développement, différentes études paramétriques seront réalisées afin de tester l’impact de certaines modifications de configuration du réacteur.
En plus des aspects de maîtrise et pilotage de l’incinération, un autre enjeu majeur du projet consiste à évaluer le taux d’encrassement radiologique des parois du réacteur lors de l’incinération d’un déchet contaminés en émetteurs alpha. L’évaluation de cet encrassement radiologique du réacteur s’appuiera sur un modèle d’entraînement particulaire (DPM) associé à un modèle d’interaction pariétal. Les résultats de simulation de taux d’encrassement seront confrontés à des données expérimentales issues d’analyses de dépôts collectés sur les parois du réacteur (essais réalisés en inactif avec simulants d’actinides). Ce travail comparatif pourra donner lieu à des modifications du paramétrage du modèle physique.
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.
Mise en œuvre de capteurs permettant le suivi en ligne de la corrosion des aciers inoxydables en milieu acide nitrique chaud et concentré
La maîtrise du vieillissement des matériaux des équipements (principalement en acier inoxydable) de l'usine de recyclage du combustible nucléaire usé, fait l'objet d'une attention permanente. Certaines installations de l’usine de la Hague devront d’ailleurs être remplacées très prochainement. Dans ce contexte, il est important pour l’industriel de développer des capteurs, résistants à l’acide nitrique concentré (˜ 2,5 mol/L) et à la température (de l’ambiante à 130 °C), permettant de suivre la corrosion en ligne.
L’objectif de ce travail est de fabriquer un capteur permettant de détecter la corrosion de l’acier.
Les challenges de ce sujet de post-doc sont essentiellement technologiques puisqu’il s’agira de développer ou d’utiliser des matériaux adaptés à des milieux acides nitriques concentrés et chauds.
Le laboratoire est spécialisé dans l'étude de la corrosion dans des conditions extrêmes. Il est composé d'une équipe scientifique très dynamique et motivée.
Description de l’évolution de la taille de grain et des densités de dislocations lors de la consolidation des aciers ODS
Les aciers renforcés par une dispersion d’oxydes nanométriques (généralement désignés aciers ODS) sont envisagés notamment comme matériau de gainage combustible des réacteurs de 4ème génération. Ces matériaux sont à l’heure actuelle élaborée classiquement par métallurgie des poudres. L‘évolution de la microstructure lors de l’élaboration n’est pas encore bien décrite. Des travaux récents menés au laboratoire ont porté sur l’évolution de la nano-précipitation lors de l’élaboration. L’objectif du post-doctorat est donc d’affiner la description de cette évolution, plus particulièrement vis-à-vis de la taille de grain et de la densité de dislocations. Ce sujet couple une approche expérimentale, aux travers d’analyses en microscopie électronique et en diffraction des rayons X, et une approche numérique, visant à définir une méthode optimisée pour le traitement de l’évolution des dislocations.
Stabilité sous irradiation de l'interface oxyde / métal d'alliage d'aluminium 6061-T6 traitée par oxydation anodique
L’alliage d’aluminium 6061-T6 a été utilisé par la fabrication des composants principaux du cœur du réacteur Jules Horowitz (RJH) en raison de sa bonne résistance à la corrosion, de ses bonnes propriétés mécaniques et de sa haute transparence aux neutrons. Afin d’améliorer la résistance à l’usure et à l’oxydation, certaines pièces subissent un traitement de surface appelé Oxydation Anodique dure (OAd) qui permet de forcer la croissance d’une couche d’oxyde qui renforce les propriétés tribologiques.
Sous irradiation, les structures du cœur du RJH sont soumises à un fort flux de neutrons qui modifie la microstructure et les propriétés de l’alliage, les neutrons rapides induisent des cascades de déplacements d’atomes et créent des défauts ponctuels qui se regroupent sous forme d’amas pour former des boucles de dislocation et des amas lacunaires tridimensionnels. Ces amas durcissent l’alliage et induisent un gonflement macroscopique. Dans l’alliage métallique d’aluminium 6061-T6, on observe également une dissolution des nano-précipités préexistants et la re-précipitation des éléments sous une forme hors équilibre. L’oxyde (Oad) est également sujet à des évolutions microstructurales sous irradiation (densité de boucles après irradiation, gonflement, amorphisation) mais il a néanmoins fait l’objet d’un nombre plus limité d’études.
Cette étude postdoctorale vise donc à caractériser la microstructure de la couche OAd, son évolution sous irradiation et sa résistance mécanique avant et après irradiation.
Modélisation de l’altération du combustible irradié en milieu saturé avec effet de la température
La modélisation de l'altération des combustibles irradiés dans l'éventualité d'un entreposage de longue durée en piscine ou d'un stockage géologique profond est essentiel pour prédire leur comportement à long terme. Dans l'éventualité d'un assemblage défectueux et d'un contact direct entre le combustible et l'eau, l'altération par l'eau peut conduire à une dégradation des crayons et au relâchements des radionucléides en solution. Un modèle géochimique couplant la chimie au transport (transport réactif) a fait l'objet de premiers développements en lien avec le comportement des combustibles en situation de stockage géologique profond. La plate-forme HYTEC développée par l'Ecole des Mines de Paris a été utilisée pour ces premiers développements de simulation. Ces simulations menées à 25°C prennent en compte les mécanismes d'altération des combustibles, les cinétiques réactionnelles associées et des bases de données thermodynamiques robustes. Il est aujourd'hui important dans le cadre de ce post-doctorat de poursuivre ces développements dans une gamme de température allant jusqu'à 70°C. le modèle existant devra également être adapté à d'autres conditions que celles d'un stockage et notamment à la situation d'un entreposage de longue durée dans des piscines dédiées.
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.
Modélisation des vents de vallées par descente d'échelle statistique
Pour modéliser et suivre les émissions atmosphériques dans une zone ayant un relief significatif, il est essentiel de représenter les vents à l'échelle de ce relief. Le modèle météorologique opérationnel de Cadarache ne dispose que d’une résolution horizontale de 1km, ce qui ne lui permet donc pas de résoudre les effets orographiques de la vallée.
Cependant, obtenir des résultats de simulation avec un modèle haute résolution nécessite des temps de calculs encore incompatibles avec les contraintes de la prévision météorologique opérationnelle (6h de calcul sur nos serveurs pour 1h de prévision pour Cadarache en 2020). Ceci contraint la résolution horizontale des calculs et ne permet pas de résoudre les effets orographiques de vallée.
L’objet du post-doc est donc de mettre au point un modèle de descente d'échelle appliqué à un maillage 3D de la vallée, avec une résolution suffisante pour, à la fois, modéliser l’aérologie de la vallée et y suivre un panache de pollution à l’aide d’un modèle de dispersion atmosphérique. Elle sera mise en œuvre via l'utilisation d'un réseau de neurones artificiels dont l'apprentissage sera fondé sur des mesures de climatologie et d'aérologie locales, complétées par des données synthétiques utilisant un modèle local à haute résolution.
Le/la candidat(e) évoluera au sein d’une petite équipe CEA attentive et bienveillante tout en restant connecté à la recherche universitaire via le Laboratoire d’Aérologie de Toulouse. Il pourra à la fois devenir un spécialiste en recherche appliquée dans le domaine météorologique et acquérir des compétences numériques et scientifiques valorisables en entreprise.