Modélisation du chauffage et des propriétés radiatives d'une cible solide irradiée par un laser ultra-intense
Les lasers ultra-intenses (UHI) peuvent délivrer des puissances de l'ordre du pétawatt (10^15 W) sur des durées ultra-courtes (femtosecondes à picosecondes). L’interaction d’un tel laser avec une cible solide permet d'étudier la matière en condition extrême, soit à des densités proches de celle du solide et des températures proches de 10^7 K. Ces plasmas denses et chauds ont des propriétés radiatives (émission/absorption de rayonnement X) qui renseignent sur leur état (température, etc.) et qui peuvent être mesurées expérimentalement. Cependant, les mécanismes physiques gouvernant le chauffage et les propriétés radiatives ne sont pas encore pleinement compris.
La thèse vise à simuler l'interaction laser-cible à l'aide du code CALDER, un code de type Particle-In-Cell (PIC) développé au CEA. Le doctorant devra étudier la physique du chauffage isochore avec ce code et cherchera à comprendre les effets physiques prépondérants dans ces plasmas. Il modélisera des expériences récentes servant à étudier ces plasmas, réalisées sur des installations laser académiques. Des simulations prospectives aideront à préparer de futures expériences, comme celles envisagées sur le laser PETAL du CEA. Des codes de physique atomique pourront être utilisés pour affiner les spectres de rayonnement X simulés. Le travail inclut également l'adaptation de CALDER pour mieux modéliser cette physique. Les résultats contribueront à une meilleure compréhension de l’interaction laser-plasma à ultra-haute intensité et des propriétés radiatives des cibles solides irradiées.
Mesure de précision du spectre des neutrons prompts dans la fission spontanée du 252Cf
Le spectre des neutrons prompts dans la fission spontanée du 252Cf est une donnée neutron de référence utilisée comme une source avec un flux neutron bien connu pour des mesures de sections efficace et de caractérisation de détecteur. L’évaluation actuelle du spectre date des travaux de Mannhart en 1988. Avec l’amélioration des systèmes de détection, les incertitudes sur le spectre évalué ont un impact de plus en plus significatif sur les incertitudes des nouvelles mesures de données nucléaires l’utilisant comme référence. Ainsi, améliorer la connaissance du spectre des neutrons prompts de fission (PFNS) du 252Cf(sf) et diminuer ses incertitudes aurait un impact très large sur la communauté des données nucléaires. Cette thèse a pour but de mesurer le PFNS du 252Cf(sf) avec un focus sur la région en-dessous de 1 MeV et la région au-dessus de 8 MeV, où les incertitudes sont les plus grandes, en utilisant un détecteur à protons de recul. La personne choisie participera activement à la conception et à la construction du dispositif expérimental, avec la prise en charge les choix technologiques à partir de simulations, participera à l’expérience et fera l’analyse des données. Elle devra aussi présenter ses travaux dans des conférences internationales et des articles à comité de lecture.
Mesure de diffusion élastique et inélastique des neutrons sur le 9Be avec VENDETA
Le 9Be joue un rôle central dans les technologies de fusion et dans les MTR (Material Testing Reactor) en tant que modérateur et source de neutrons. Cependant les données nucléaires existantes pour la diffusion des neutrons sur le 9Be montrent des incertitudes significatives, particulièrement entre 1.5 et 15 MeV d'énergie des neutron incidents. Une mesure de la diffusion neutron élastique et inélastique sur le 9Be a été proposée et acceptée sur l'installation NFS (Neutron For Science) au GANIL dans le but de produire des données de précision pour améliorer les modèles de réactions nucléaires et les librairies de données nucléaires évaluées, une expérience a été proposée et acceptée sur l'installation NFS (Neutron For Science) au GANIL. Les neutrons seront mesurés avec l'ensemble de détection récemment développé VENDETA (VErsatile Neutron DETector Array), formé de scintillateurs liquides avec une haute résolution en temps pour la mesure du temps de vol des neutrons et combinant une excellente discrimination neutron/gamma et une efficacité de détection des neutrons jusqu'à des énergies cinétiques de 100 keV. Des faisceaux de neutrons quasi-monoénergétiques produits à NFS par des réactions p+7Li permettront une étude systématique des observables de diffusion en fonction de l'énergie des neutrons incidents.
La personne choisie sera en charge de l'analyse pour extraire des sections efficaces angulaires différentielles pour les voies élastique et inélastiques en fonction de l'énergie des neutrons incidents. Les données seront utilisées par les modèles de réaction permettant d'établir les librairies de données nucléaires, avec un impact attendu sur les applications de l'énergie nucléaire et la conception de protections contre les radiations. De plus, leur interprétation en termes de largeur de décroissances partielles vers les voies élastique et inélastiques pourra améliorer notre compréhension des liens entre les structures nucléaires du 9Be et du 10Be.
Comportement de la matière sous compressions dynamiques isothermes: déplacement de la réactivité chimique ; synthèse de nouveaux matériaux métastables ; mécanismes de transition de phase.
La Cellule à Enclumes de Diamant équipée d’actuateurs piézoélectriques, ou d-CED, est un dispositif innovant permettant de générer des compressions et des décompressions dynamiques sur une large plage de taux de variation de pression. La d-CED permet ainsi de réaliser des sollicitations dynamiques finement contrôlées, avec des taux de (dé)compression pouvant varier sur plusieurs ordres de grandeur le long de chemins isothermes. Cela ouvre la voie à la constitution de bases de données de référence pour la validation de mécanismes microscopiques. Par ailleurs, les taux de compression ou de décompression peuvent être assimilés à des taux de chauffe ou de refroidissement ultra-rapides de l’échantillon, offrant la possibilité d’explorer, de manière très contrôlée, certains phénomènes encore débattus dans la littérature, tels que la stabilité maximale d’un solide au-delà de son point de fusion.
L’objectif de cette thèse est d’exploiter les nouvelles possibilités offertes par la d-CED pour démontrer de nouveaux phénomènes ou comprendre finement certains effets discutés dans la littérature, en réalisant des variations de température ultra-rapides. Une première application consistera en l’étude de la cinétique de nucléation des gaz rares (Ar, Ne, Kr) en fonction du taux de compression, et de comparer aux récentes mesures effectuées auprès du XFEL dans des jets cryogéniques. Un deuxième objectif sera d’étudier les changements chimiques, avec une première étude portant sur la modification de la réactivité du nitrométhane, explosif de référence. Un autre sujet d’étude concernera la synthèse de nouveaux composés moléculaires à partir de mélanges de fluides moléculaires denses (N2, H2, O2).
Applications des faisceaux d'électrons relativistes produits par le laser PETAL
Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la physique des plasmas produits par des lasers de très haute puissance et de haute intensité. Elle sera menée au sein de l’installation LMJ, en lien avec le laser PETAL capable d’atteindre des intensités supérieures à 10¹8 W·cm?² et de générer des particules de haute énergie.
L’objectif principal est d’étudier la production et l’accélération de faisceaux d’électrons relativistes dans un jet de gaz. Les applications de ces faisceaux seront évaluées pour la génération de paires électron-positron et pour la radiographie par faisceaux d’électrons.
Le travail reposera sur une approche combinant expériences et modélisation numérique. Le doctorant participera à des campagnes expérimentales prévues en 2026–2027, incluant la mise en œuvre de diagnostics et l’analyse des données. En parallèle, des simulations numériques de type Particle-In-Cell (CALDER) et Monte-Carlo (GEANT4) seront réalisées afin d’interpréter les résultats expérimentaux.
Dans une seconde phase, la thèse contribuera à la qualification de l’évolution du laser PETAL, notamment l’étude des sources secondaires (électrons, protons et rayonnement X dur) issues de l’interaction laser-matière, en lien avec le projet PETAL-UPGRADE.
Mesure de la vitesse du son dans H2 et He constitutifs des intérieurs des géantes gazeuses
L'objectif de la thèse est d'étudier les mélanges hydrogène-hélium en phase fluide à haute pression et haute température par spectroscopie Raman et Brillouin. Les expériences seront effectuées en cellule a enclumes diamant sous chauffage laser permettant d’explorer un vaste domaine de pression et de température représentatif des intérieurs planétaires des géantes de gaz (1-300 GPa, 300-4000 K). La spectroscopie Raman sera utilisée pour sonder les changements chimiques susceptibles d’apparaître en conditions extrêmes. La spectroscopie Brillouin donnera accès à la vitesse du son adiabatique et aux équations d’état de ces systèmes en phase fluide. Ces données seront particulièrement utiles pour améliorer la modélisation des intérieurs de Jupiter et Saturne.
Simulations hydrodynamiques de matériaux poreux pour l'endommagement ductile
Le comportement mécanique des matériaux métalliques sous sollicitation fortement dynamique (choc), et en particulier leur endommagement, est une thématique d'intérêt pour le CEA-DAM. Pour le tantale, l'endommagement est de nature ductile : par germination, croissance et coalescence de pores (vides) au sein du matériau. Les modèles usuels d'endommagement ductiles ont été développés à partir d'hypothèses simplificatrices de pores isolés dans la matière. Cependant des études récentes par simulations directes décrivant explicitement une population de pores répartis dans le matériau (ainsi que des observations expérimentales après rupture) ont montré l'importance de l'interaction entre pores pour la prévision de l'endommagement ductile. Toutefois, les mécanismes microscopiques de cette interaction restent à élucider. De plus, ces études numériques doivent être étendues aux échelles de longueur et de vitesses de sollicitation d'intérêt.
L'objectif de la thèse est d'étudier les phases de croissance et de coalescence de l'endommagement ductile au travers de simulations numériques directes d'un milieux poreux soumis à une sollicitation dynamique. Des simulations hydrodynamiques, dans lesquelles des pores seront maillés explicitement au sein d'une matrice continue, seront utilisées afin de se placer aux échelles d'intérêt de temps et de longueur. Le suivi de la population de pores au cours de la simulation renseignera à différents niveaux sur l'influence de l'interaction entre pores pendant l'endommagement ductile. D'abord, le comportement du massif sera comparé à celui prédit par les modèles classiques à pores isolés, montrant l'effet macroscopique de l'interaction entre pores. On s'intéressera également à l'évolution de la distribution de tailles dans la population de pores. Enfin, un dernier objectif sera de comprendre l'interaction microscopique pore à pore. Afin de tirer parti de la richesse des résultats de simulation, des approches issues de l'intelligence artificielle (réseau de neurones sur le graphe associé à la population de pores) seront utilisées afin d'apprendre le lien entre voisinage d'un pore et croissance de celui-ci.
Le/la doctorant(e) aura l'occasion de développer ses compétences en physique des chocs et en mécanique, en simulations numériques (avec l'accès aux supercalculateurs du CEA-DAM) et en science des données.
Modélisation multi-échelle du maclage dans l’étain
Le maclage est un mécanisme de déformation displacif, caractérisé par une déformation continue de la matière. Bien que largement étudié pour d’autres matériaux industriels comme les alliages de titane, ce mécanisme de plasticité reste peu connu et modélisé de manière incomplète pour des structures cristallographiques complexes. Pourtant, du fait du nombre réduit de symétries de ces structures, le glissement de dislocations s’avère insuffisant pour accommoder la déformation selon certaines directions de chargement, nécessitant l’activation du maclage. C'est le cas pour l'étain, qui possède une structure tétragonale. En particulier, le maclage contribue fortement à la réponse mécanique de l'étain aux forts taux de déformations et aux faibles températures. Dans les régimes intermédiaires de température et de taux de déformation, une compétition entre plasticité par dislocations et par maclage peut s’installer, rendant cruciale la description du couplage entre ces deux phénomènes. En proposer une meilleure description permettra d’apporter un nouvel éclairage sur les données expérimentales disponibles au CEA DAM. L'objectif de la thèse est de dérouler une démarche multiéchelle, de la dynamique moléculaire jusqu'à l'échelle du milieu continu, validée sur l'expérience, pour aboutir à un modèle permettant la description du comportement de l'étain sur une large gamme de températures et de taux de déformation.
Etude de la désexcitation radiative du noyau avec une méthode de type Oslo
La capture d’un neutron par un noyau amène à un noyau composé prompt à se désexciter principalement en émettant des gammas si l’énergie d’excitation est inférieure au MeV. Ce processus est appelé capture radiative. Cette réaction, bien connue, dont on sait précisément mesurer la section efficace aux basses énergies pour des noyaux de ou proche de la vallée de stabilité, reste difficilement mesurable pour des noyaux plus exotiques.Les modèles de réactions nucléaires basés essentiellement sur les noyaux stables peinent,eux aussi, à apporter des prédictions fiables de ces sections efficaces sur ces noyaux exotiques. Cependant, ces dernières années,des avancées dans la modélisation et dans les mesures autour de cette réaction a permis d’entrevoir des voies d’améliorations significatives en s’intéressant aux ingrédients plus microscopiques, qui restent accessibles à des mesures plus fines: la fonction de force gamma et la densité de niveaux. En effet, ces ingrédients qui gèrent respectivement la manière dont la cascade gamma se déroule et la structure du noyau à haute énergie d’excitation peuvent être mesurés pour aider ensuite à les calculer plus finement. Ces améliorations ont un impact direct sur la prédiction des sections efficaces pour des noyaux instables que l’on trouve dans la nucléosynthèse stellaire. Le sujet de cette thèse est de mesurer ces ingrédients pour un noyau formé dans la nucléosynthèse en utilisant un nouveau dispositif appelé SFyNCS.
Modèle de cinétique informé par la microstructure : application aux explosifs solides
Lorsqu'une composition explosive est soumise à une sollicitation intense telle un choc, l'onde ainsi générée interagit avec la microstructure et notamment avec les défauts qu'elle contient. De par la nature des défauts, une localisation de l'énergie peut apparaître comme lors de la compaction de la porosité qui peut donner lieu à l'apparition de points chauds. Au delà d'une certaine taille critique, ces points chauds croissent du fait de la décomposition chimique de l'explosif et cela peut dans certains cas mener à la création d'une onde de détonation. Le rôle de ces points chauds est donc déterminant dans l'amorçage des explosifs solides. La majorité des modèles macroscopiques utilisés pour l'étude de la transition choc-détonation (TCD) sont des modèles phénoménologiques calibrés sur des expériences (par exemple des expériences de jauges multibrins) ne rendant donc pas compte des singularités microstructurales propres à chaque explosif. Il devient alors nécessaire de recalibrer un modèle pour chaque composition, ce qui limite toute capacité prédictive.
Les études par microtomographie de microstructures réelles des compositions explosives ont révélées que celles-ci s'éloignent significativement d'une description moyenne basée sur un pore sphérique. Par segmentation d'image, ces microtomographies peuvent fournir des ingrédients essentiels aux codes de simulations à l'échelle mésoscopique: en effet, ces microstructures peuvent être prises directement en entrée de calcul ou bien servir de base pour générer des microstructures virtuelles mais réalistes, étendant alors la base de données accessible du fait des difficultés expérimentales à générer ce type d'images en grand nombre.
La puissance de calcul disponible aujourd'hui nous permet désormais d'envisager des simulations explicites de microstructures réalistes de compositions explosives. Ces simulations en deux, voire trois dimensions, seront les éléments de base pour la construction d'un modèle macroscopique de cinétique pour la modélisation de la transition choc-détonation. Les résultats attendus de ce travail sont transverses et pourront se transposer à tous les matériaux énergétiques composites. L'effet d'un endommagement thermique ou mécanique sur le comportement d'un explosif ou d'un propergol solide (problématique de vulnérabilité) pourrait également bénéficier de ce projet. Cette connaissance plus fine du rôle de la microstructure (forme des grains, porosités, etc.) pourrait également améliorer les procédés de fabrication des charges (par ex. "Very Insensitive"-RDX).