Assimilation de données transitoires et calibration de codes de simulation à partir de séries temporelles
Dans le cadre de la simulation scientifique, certains outils (codes) de calcul sont construits comme un assemblage de modèles (physiques) couplés dans un cadre numérique. Ces modèles et la façon dont ils sont couplés utilisent des jeux de paramètres ajustés sur des résultats expérimentaux ou sur des résultats de calculs fins de type « Simulation numérique directe » (DNS) dans une démarche de remontée d’échelle. Les observables de ces codes, ainsi que les résultats expérimentaux ou les résultats des calculs fins, sont majoritairement des grandeurs temporelles. L’objectif de cette thèse est alors de mettre en place une méthodologie de fiabilisation de ces outils en ajustant leurs paramètres par assimilation de données à partir de ces séries temporelles.
Un travail sur l’ajustement de paramètres a déjà été réalisé dans notre laboratoire dans le cadre d’une thèse précédente, mais en utilisant des scalaires dérivés des résultats temporels des codes. La méthodologie développée durant cette thèse a intégré des étapes de criblage, de métamodélisation, et d’analyse de sensibilité qui pourront être repris et adaptés au nouveau format des données. Une étape préalable de transformation des séries temporelles sera à mettre au point, afin de réduire les données tout en limitant les pertes d’information. Des outils de machine learning /deep learning pourront être envisagés.
L’application de cette méthode se fera dans le cadre de la simulation des accidents graves de réacteurs nucléaires. Durant ces accidents le cœur se dégrade et du corium (magma de combustible et d’éléments de structure issus de la fusion du cœur du réacteur) se forme et peut se relocaliser et interagir avec son environnement (liquide réfrigérant, acier de la cuve, béton du radier, …). Certains codes de simulation d’accidents graves décrivent individuellement chaque étape / interaction, quand d’autres décrivent la totalité de la séquence accidentelle. Ils ont en commun d’être multiphysiques et d’avoir un nombre de modèles et de paramètres souvent grand. Ils décrivent des phénomènes physiques transitoires dans lesquels le caractère temporel est important.
La thèse se déroulera au Laboratoire de Modélisation des Accidents Graves de l’institut IRESNE au CEA Cadarache, dans une équipe au meilleur niveau national et mondial pour l’étude numérique des phénomènes liés au corium, de sa génération à sa propagation et son interaction avec l’environnement. Les techniques mises en œuvre pour l’assimilation de données ont également un important potentiel générique qui assurent des débouchés importants pour le travail proposé, dans le monde du nucléaire et ailleurs.
Décomposition de domaine multi-bloc et non conforme, adaptée au couplage aux frontières 'exact' du code de thermohydraulique SIMMER-V
Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la recherche nécessaire pour l'utilisation durable de l'énergie nucléaire dans un mix énergétique décarboné respectueux du climat. Les réacteurs de 4° génération refroidis au sodium sont alors des candidats de grand intérêt pour l'économie de la ressource en uranium et la minimisation du volume des déchets ultimes.
Dans le cadre de la sûreté de tels réacteurs, il est important de pouvoir décrire avec précision les conséquences d'une éventuelle dégradation du cœur. Une collaboration avec son homologue japonais JAEA permet au CEA de développer le code SIMMER-V dédié à la simulation de la dégradation du cœur. Le code calcule la thermohydraulique du sodium, la dégradation des structures et la neutronique du cœur pendant la phase accidentelle. L'objectif est de pouvoir représenter non seulement le cœur mais aussi son environnement direct (circuit primaire) avec précision. La prise en compte de cette topologie requiert de partitionner le domaine et d'utiliser une méthode de couplage aux frontières. La limite de cette approche réside généralement dans la qualité et la robustesse de la méthode de couplage, en particulier lors de transitoires rapides au cours desquels des ondes de pression et de densité sont amenées à traverser les frontières.
Une méthode de couplage a été initiée au Laboratoire de Modélisation des Accidents Graves de l’institut IRESNE de Cadarache (Annals of Nuclear Energy 2022,Implementation of multi-domains in SIMMER-V thermohydraulic code https://doi.org/10.1016/j.anucene.2022.109338), qui consiste à fusionner les différentes décompositions de chacun des domaines, dans le but de constituer une décomposition unique du calcul global. Cette méthode a été développée dans un cadre simplifié où les maillages (cartésiens) se raccordent de manière conforme au niveau des frontières. L'opportunité qui s'ouvre est d'étendre cette méthode au cas des raccords quelconques en utilisant la librairie MEDCoupling. Cette première étape dont la faisabilité a été acquise permettra d'assembler des composants pour constituer un système de type 'loop' (réacteur à boucles). La deuxième étape consistera à étendre la méthode de sorte qu'un domaine de calcul puisse être totalement emboîté dans un autre. Cet emboîtement permettra alors de constituer un domaine par juxtaposition ou par emboîtement avec des maillages et des décompositions de domaine non conformes. Après avoir vérifié les qualités numériques de la méthode, la dernière étape applicative consistera à construire une simulation de la dégradation d'un cœur plongé dans sa cuve primaire (configuration 'pool') permettant de valider la méthode suivie.
Ce travail permettra à l’étudiant de développer des connaissances en techniques numériques et modélisation pour les systèmes physiques complexes avec écoulements. Il mettra en œuvre des techniques allant de la conception à la validation de méthodes, dans une équipe pluridisciplinaire et dynamique au CEA Cadarache.
Modélisation et simulation numérique des écoulements hydrodynamiques compressibles multimatériaux et multiphases pour la simulation de l’interaction Corium-Sodium
Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la relance du nucléaire, et particulièrement des études de sûreté associées aux Accidents Graves (AG) dans les réacteurs de quatrième génération à neutrons rapides refroidis au sodium (RNR-Na). Lors d’un tel hypothétique événement, un jet de corium (mélange de combustible et éléments structurels du cœur fondus) interagit avec le fluide caloporteur du réacteur. Ce phénomène, appelé FCI (Fuel Coolant Interaction), génère un transfert d’énergie vers le caloporteur qui peut mener à des explosions de vapeur. L’objectif de la thèse est d’améliorer les outils de simulation de la FCI pour les RNR-Na.
Le développement du code SCONE de calcul FCI s’appuie sur TRUST, plateforme numérique open source du CEA. TRUST est un outil mature d’un point de vue HPC et robustesse numérique, mais souffre de certaines de limitations numériques pour la simulation des AG : termes de transports à l’ordre 1, schémas peu adaptés à la simulation d’écoulements fortement compressibles et donc de l’explosion vapeur, diffusion numérique.
La thèse propose de pallier ces limites en suivant une démarche de recherche en trois partie. La première partie consiste à étendre les schémas existants dans SCONE afin de les rendre compatibles avec la simulation de chocs forts. Une dérivation via un principe de moindre action sera utilisée à des fins de consistance thermodynamique. Dans une deuxième partie, les schémas développés seront étendus au multiphase à partir des deux modèles classiques de la littérature (iso-pression et Baer-Nunziato). Enfin, la dernière partie consistera en la réduction de la diffusion numérique des indicateurs de phase, grâce à la montée en ordre (avec limitation multidimensionnelle) des termes d’advection et une reconstruction d’interface (de type VOF-PLIC). Ces algorithmes étant classiquement coûteux numériquement, des techniques de Machine Learning seront utilisées pour accélérer l’identification de configurations d’interface.
Le travail proposé ouvre des perspectives professionnelles dans le domaine de la simulation et des méthodes numériques, en particulier vers les centres de recherche et les départements de R&D dans l’industrie.
Un stage de master 2 est proposé par l’équipe en complément de la thèse.
Modélisation et simulation d’ébullition sous haut flux en sodium
Cette thèse s’inscrit dans le cadre des études de sûreté associées aux Accidents Graves dans les Réacteurs à Neutrons Rapides refroidis au Sodium et plus particulièrement lorsque le cœur fondu se relocalise par gravité vers le récupérateur en fond de cuve. Un jet de corium (mélange de combustible et éléments structurels du cœur fondus) interagit alors violemment avec le fluide caloporteur du réacteur. Ce phénomène est appelé FCI pour Fuel Coolant Interaction. L’interaction induit entre autres la fragmentation du jet de corium (particules dispersées) couplée à l’ébullition en film du réfrigérant. Les caractéristiques du film de vapeur sont déterminantes pour étudier et modéliser la phase de fragmentation du combustible menant potentiellement à une explosion vapeur sodium.
La DNS (Direct Numerical Simulation) de l’ébullition en film dans ces conditions est très coûteuse notamment, en raison de la finesse des films, des transferts de masse à prendre en compte aux échelles les plus fines et de la prise en compte de la compressibilité.
L’objectif de la thèse est alors de simuler l’ébullition en film avec une modélisation compressible hors-équilibre à même de relaxer ces contraintes avec une grande généralité. En effet, la connaissance des déséquilibres entre les phases permet d’évaluer localement les échanges, par exemple de chaleur grâce à des corrélations semi-empiriques, tout en conservant une résolution propre des échelles d’écoulements principales. Le modèle proposé devra prendre en compte l’évaluation de l’aire interfaciale afin d’évaluer finement les transferts de masse et de chaleur à l’interface liquide-vapeur.
A partir de là, le travail de thèse sera décomposé en 3 parties, en plus de l’étude bibliographique initiale. La première partie concernera le choix ou la proposition de modèles, macroscopiques enveloppes d’une part, à haute précisions d’autre part, permettant la simulation de l’ébullition en film. La deuxième partie verra ensuite la mise en œuvre dans le code CFD (Computational Fluid Dynamics) SCONE sur base TRUST (code Open Source développé au CEA) des modèles et méthodes numériques permettant la résolution fiable des problèmes considérés. Enfin la dernière partie du travail sera dédiée à des travaux prospectifs et à des études de sensibilité des modèles numériques, notamment géométrique et aux conditions thermiques (sous refroidissement du réfrigérant, champ de température dans le solide), afin de déterminer le domaine de validité des travaux proposés et les voies d’amélioration potentielles.
D’une manière générale, la thèse permettra de caractériser numériquement l’ébullition en film vapeur. L’amélioration de la modélisation de l’ébullition en film dépasse aussi largement le contexte des phénomènes d’interaction combustible réfrigérant et sera donc applicable à une multitude de problématiques industrielles et académiques. Le travail proposé ouvre ainsi des perspectives professionnelles en particulier vers les centres de recherche et les départements de R&D dans l’industrie.
Un stage de master 2 est proposé par l’équipe en complément de la thèse.
contribution expérimentale et numérique à la caractérisation des transferts de chaleur dans un échangeur TPMS – application aux échangeurs intermédiaires d’un réacteur à sel fondu
Le travail proposé est dédié aux verrous technologiques associés à la famille des réacteurs nucléaires très innovants dits à sels fondus (ou Molten Salt Reactor, MSR).
Dans un MSR à boucles, le sel combustible transporte avec lui des précurseurs de neutrons retardés, qui génèrent des fissions hors du cœur. Dans ces conditions, pour faciliter le pilotage du réacteur, le volume de sel combustible hors cœur doit être minimisé. Cette contrainte impose une puissance volumique échangée supérieure à la puissance volumique du cœur au niveau des échangeurs intermédiaires, qui extraient la puissance du cœur.
Le projet ISAC développe un MSR à neutrons rapides, dont le cœur présente une puissance volumique de 250 MW/m3. Cette puissance volumique, associée aux spécificités du sel combustible, représente un objectif ambitieux pour les technologies d’échangeurs dites classiques. L’une des solutions proposée pour maximiser la puissance volumique de l’échangeur intermédiaire consiste à adopter de nouveaux motifs d’échange. Les géométries TPMS (Triply Periodic Minimal Surface), assemblées pour constituer des canaux d’échange 3D, constituent des candidats intéressants. La construction de tels échangeurs est permise par les procédés de fabrication additive.
La bibliographie a mis en évidence une certaine émulation sur ce type d’échangeurs, mais peu d’études portent sur des échanges thermiques liquide/liquide en régime turbulent. Au Laboratoire de Conception et d’Innovation Technologique (LCIT), des géométries adaptées aux spécificités des MSR, ont été sélectionnées par calculs CFD. Sur la base de ces résultats, des maquettes d’échangeurs TPMS en acier inoxydable sont en cours de fabrication.
Le sujet de thèse propose aujourd’hui une validation expérimentale des corrélations d’échange thermique et de coefficient de frottement propres aux géométries TPMS. Le calcul CFD permettra de développer le programme expérimental. L’élaboration d’essais en fluide simulant s’appuiera sur une équivalence en nombre de Reynolds et nombre de Prandtl. Les verrous principaux du travail de recherche proposé tiennent à la nature 3D des canaux et la compréhension de l’influence de la rugosité dans des canaux obtenus par fabrication additive. Enfin, les résultats expérimentaux obtenus permettront de développer les modèles CFD.
La compacité des échangeurs de chaleur est un enjeu récurrent dans le développement de tout système de conversion d’énergie. Les corrélations validées au cours de ce Doctorat permettront de dimensionner d’autres échangeurs TPMS pour diverses applications. De plus, le travail proposé ouvre des perspectives professionnelles en particulier vers les centres de recherche, les départements de R&D dans l’industrie et les unités de conception de systèmes innovants.
Un stage de master 2 est proposé par l’équipe en complément de la thèse.
Caractérisation des vortex à la surface d’une maquette représentative d’un réacteur de 4e génération
Les réacteurs de 4ième génération à neutrons rapides refroidis au sodium (RNR-Na) constituent une solution pérenne à la crise énergétique et au réchauffement climatique. Dans le cadre du programme ASTRID, le CEA a été engagé durant environ 10 ans dans la conception d’un démonstrateur industriel. Malgré l’arrêt du projet en 2019, les recherches sur la technologie des RNR-Na se poursuivent au travers d’études de concepts innovants de réacteur (Anais, Atrium…).
Dans la conception de ce type de réacteur, la cuve comporte une surface libre couverte d’argon pour réduire les transferts thermiques vers le couvercle. Sous certaines conditions, ce gaz peut être entrainé au travers de vortex dans la partie basse du réacteur en raison de l’aspiration des pompes. Le relâchement d’une poche de gaz ainsi formée au niveau des assemblages de combustible est une source d’augmentation de la réactivité neutronique et soulève des questions de sûreté. Il est donc essentiel de pouvoir caractériser les conditions opératoires pour lesquelles ces vortex peuvent apparaître à la surface. Cette problématique étant très difficile à appréhender par les codes de calculs, des expérimentations ont donc été menées pour étudier l’occurrence de l’entraînement de gaz dans diverses configurations. Néanmoins les outils mis en œuvre lors de ces campagnes d’essais ne permettent pas à ce stade une analyse suffisamment approfondie pour comprendre la phénoménologie de formation des vortex.
La thèse proposée a ainsi pour vocation d’étudier les vortex à la surface de la maquette MICAS, représentative à l’échelle 1/6 du projet de réacteur ASTRID. Le sodium étant complexe à utiliser pour les expérimentations, un fluide simulant, l’eau, est mis en œuvre dans ces essais. L’objectif de cette recherche est de caractériser finement les vortex en termes d’occurrence, de diamètre, de profondeur et de vitesse afin d’apporter des éléments nécessaires à leur modélisation et leur prédiction dans les codes de calculs. Le travail de thèse se décomposera, hormis la partie bibliographique, en 3 parties, correspondant sommairement aux trois années de la thèse : développement du système de caractérisation basé sur de l’imagerie, caractérisation des vortex suivant différentes configurations (géométriques et opératoires), intégration dans un modèle. Une première solution envisagée pour le système de caractérisation des vortex est basée sur un réseau de caméras à grand champ, placées sous différents angles, mais d’autres solutions pourront aussi être étudiées.
Le laboratoire d’accueil dispose déjà de la maquette et des moyens de mesure (caméras rapides, système de mesure de vitesse…) afin de mener des expérimentations dès l’arrivée du doctorant. Ils pourront être complétés par d’autres outils en fonction du système de caractérisation développé. Enfin une ouverture vers l’international pourra être envisagée au travers de la collaboration avec l’agence japonaise JAEA.
Le travail proposé ouvre des perspectives professionnelles en particulier vers les centres de recherche et les départements de R&D dans l’industrie.
Simulation numérique de particules entraînées par convection naturelle multiphasique. Application aux accidents graves des réacteurs nucléaires de 4ème génération
Cette thèse s’inscrit dans le cadre général des études de sûreté associées aux Accidents Graves dans les Réacteurs à Neutrons Rapides refroidis au Sodium. Elle porte plus particulièrement sur la modélisation des lits de débris de corium et des phénomènes qui s’y déroulent, spécifiques à cette technologie de réacteur. Elle a notamment pour objectif de produire des modèles physiques décrivant l’auto-nivellement de ces lits en suivant une démarche de remontée d’échelle issue de la méthode dite de la moyenne volumique. En s’appuyant sur les résultats de travaux précédents, et sur un outil de simulation couplant LBM (Lattice Boltzmann Method) et DEM (Discrete Element Method), la recherche proposée suivre une démarche à deux échelles. Il s’agira tout d’abord de simuler les phénomènes d’intérêt à l’échelle des pores en choisissant les problèmes de fermeture les plus significatifs. La remontée d’échelle sera ensuite mise en œuvre afin de proposer de nouvelles lois physiques pour les propriétés effectives du lit de débris les plus influentes.
Le travail effectué ici dans le cadre de la sûreté des réacteurs rapides au sodium est générique et l’établissement de la méthodologie permettant de déterminer des relations de fermetures (ici propriétés effectives du milieu) pour un outil numérique à plus grand échelle est novateur et trouvera des applications dans de nombreux autres contextes traitants des problématiques liées aux interactions fluide/grains.
Ces travaux s’inscrivent aussi dans un contexte de renouveau du nucléaire avec une floraison de start-up basés sur des réacteurs au sodium et une collaboration avec le Japon sur la sûreté de ce type de réacteur.
Un stage de master 2 est proposé par l’équipe en complément de la thèse.
Dispersion transverse de polluants dans une rivière de piedmont présentant une alternance de radiers-mouilles : application à la moyenne Durance
Lors du rejet de polluant dans une rivière, il est important de connaître la distance aval à partir de laquelle ce polluant va être distribué de façon homogène dans toute la section transverse, afin d'être en mesure de délimiter la zone de mélange. Pour l'estimer, la méthode usuelle consiste à appliquer un modèle d'advection-diffusion basé sur l'estimation d'un coefficient de mélange transverse. Si de nombreuses formules existent pour l'estimer, la plupart ne sont validées que dans certaines configurations de cours d'eau.
Dans un travail précédent, Lorris Gond [2022] a découpé un linéaire de la Durance en tronçons successifs en fonction des faciès hydromorphologiques rencontrés et a déterminé le coefficient de mélange transverse dans chaque tronçon à partir d'un traçage au colorant. Ces résultats confirment l'hypothèse de processus de mélange transverse spécifique aux structures de radiers-mouilles rencontrées en moyenne Durance.
La thèse proposée a pour objectif de vérifier cette hypothèse dans les rivières présentant des structures de type radiers-mouilles. Il s’agit ensuite de déterminer une méthodologie de calcul d’un coefficient de mélange global de la structure à partir de la connaissance a priori des faciès, afin de s'affranchir de nouvelles mesures in situ à chaque modification morphogène du lit. La thèse comportera pour cela une caractérisation sur le terrain de la géométrie d’une portion de la moyenne Durance, la réalisation de traçages au colorant pour quantifier le coefficient de mélange transverse en rivière et la reproduction expérimentale en canal de laboratoire d'une structure radier-mouille.
Un stage de master 2 est proposé par l’équipe en complément de la thèse.
Étude d’un procédé de lavage innovant pour le traitement de composants sodés issus d’installations utilisant du sodium liquide comme caloporteur
Le sodium est utilisé comme fluide caloporteur dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides. Compte tenu des températures de fonctionnement de ces installations, toutes les surfaces en contact avec le sodium liquide restent mouillées par du sodium résiduel une fois les circuits vidangés et égouttés. Le traitement de ce sodium résiduel est impératif pour assurer la sécurité des interventions sur les composants et structures dans un processus de démantèlement. Le procédé de référence pour cette action est le lavage à l’eau dans un puits de lavage dédié. Ce procédé met en œuvre une réaction du sodium avec l’eau sous différentes formes, en maîtrisant la cinétique de réaction, qui est instantanée et fortement exothermique sans contrôle de la mise en contact des réactifs.
Une étude exploratoire menée au CEA a fait l’objet d’une thèse soutenue en 2014 sur l’utilisation de sels pour mitiger la cinétique de réaction. Le laboratoire d’Études des technologies Sodium et Caloporteurs avancés (DES/IRESNE/DTN/STCP/LESC) possède ainsi des installations de R&D, instrumentées et dédiées à l’étude des procédés de lavage du sodium et équipées des fonctionnalités d’un puits de lavage industriel, telles que des rampes d’aspersion, des buses d’atomisation et un dispositif d’immersion.
Le principal objectif scientifique de la nouvelle thèse proposée est à présent d’identifier, de comprendre et de modéliser les mécanismes physico-chimiques impliqués dans la cinétique réactionnelle sodium-eau en présence de sels. Ces travaux permettront de limiter ou d’éviter les phénomènes d’onde de pression ou d’explosion lors du traitement du sodium résiduel des circuits de réacteurs nucléaires à neutrons rapides lors de leur assainissement-démantèlement. Le doctorant aura pour mission de définir les plans d’expérience, de participer activement à la réalisation des campagnes d’essai, d’exploiter les résultats et de proposer une interprétation des phénomènes observés (cinétiques, pic de pression, élévation locale de température…). Les essais auront pour objectif d’acquérir des données de thermodynamique et de cinétique de réaction fiables, tels que les temps de réaction, la variation de la pression dynamique, l’élévation de la température, la composition des phases gaz et liquide, la spéciation en phase liquide et la visualisation de la phénoménologie via caméra rapide. Des outils de modélisation seront mis à sa disposition pour établir et simuler un modèle de cinétique réactionnelle. À terme, les travaux proposés permettront de qualifier le procédé pour une application industrielle dans le domaine de l’assainissement/démantèlement à fort enjeu pour la filière nucléaire française.
En complément de l’expérience acquise dans le domaine du démantèlement de systèmes nucléaires, le travail proposé ouvre des perspectives professionnelles en particulier vers les centres de recherche et les départements de R&D dans l’industrie.
Un stage de master 2 est proposé par l’équipe en complément de la thèse.
Calculs et expériences portant sur des écoulements MHD de métal liquide : application aux pompes électromagnétiques pour la filière sodium.
Les pompes électromagnétiques (PEM) mettent en mouvement sans contact un métal liquide conducteur de l’électricité. Elles présentent ainsi une excellente étanchéité pour les caloporteurs dans les réacteurs à neutrons rapides ou à fusion, tout en minimisant l’inventaire en déchets. Dans les PEM à induction, la force de Lorentz de pompage est issue de l’interaction entre le champ magnétique d’excitation et le courant qu’il induit dans le liquide conducteur, lequel se déplace à une vitesse relative. Ce couplage est typique de la magnétohydrodynamique (MHD).
Lorsque l’écoulement MHD devient turbulent, un verrou scientifique émerge lié à la description des couches limites turbulentes. La simulation numérique directe (DNS) permet de lever des hypothèses en se passant de modèles sous-maille pour décrire les couches limites. Le prix à payer est le temps de calcul rédhibitoire pour l’ingénieur qui veut concevoir une PEM en géométrie réelle. Le but de cette thèse est de calculer par DNS, en géométrie simplifiée, mais suffisamment représentative d’une PEM, les quantités MHD (vitesse, courant et potentiel électriques). Des calculs pourront être menés en parallèle en utilisant des modèles avec lois de fermeture, plus accessibles à l’ingénieur. L’objectif est d’établir, s’il en existe, des domaines de validité de ces lois de fermeture.
Un écoulement MHD en canal sera modélisé, laminaire ou faiblement turbulent. Le champ magnétique pourra être imposé uniforme, non-uniforme, puis glissant et/ou oscillatoire. Les simulations numériques seront validées sur un dispositif expérimental à finaliser, permettant un écoulement de galinstan (métal liquide à température ambiante) et de la vélocimétrie à ultrasons ou potentiels électriques.
Cette thèse doit permettre de mieux comprendre les écoulements MHD turbulents en canal afin d’alimenter le travail futur de modélisation des pompes électromagnétiques pour des nombres de Reynolds et Hartmann représentatifs. Ce travail ouvre des perspectives professionnelles en particulier dans les centres de recherche et les départements de R&D dans l’industrie.
Cette thèse se déroulera au SIMaP de Grenoble avec quelques séjours à Cadarache (13).