Effet de la déformation plastique sur la rupture par clivage : Découplage entre la plasticité induite et l’évolution de la microtexture
Dans le domaine nucléaire, l’intégrité des composants doit être assurée pendant toute la durée d’exploitation, et ceci même en cas d’évènement accidentel. La demande de justification de la tenue des composants face au risque de rupture brutale est croissante et se généralise à de nombreuses lignes de tuyauterie et équipements. Le principe de la démonstration consiste à montrer que, même en présence d’un défaut, l’équipement est capable de supporter les chargements qu’il est susceptible de subir.
Une vigilance particulière est portée sur la rupture fragile par clivage, à cause de son caractère instable et catastrophique qui conduit immédiatement à la ruine du composant. La rupture fragile est sensible au niveau de plasticité et de triaxialité en pointe de fissure, ce qui explique l’effet structure bénéfique souvent observé sur des composants réels par rapport aux éprouvettes laboratoire. L’enjeu industriel est de mieux comprendre le rôle de la plasticité en relation avec la microtexture sur la rupture fragile, afin de faire évoluer les critères de prédiction actuels.
Au cours de cette thèse, la résistance à la rupture fragile de l'acier sera évalué après prédéformé avec différents types de chargements mécaniques. A la fin de la thèse le candidat aura acquis des compétences solides sur la réalisation d'essais mécaniques, les analyses microscopiques et en simulation numérique. Les travaux seront réalisés entre le laboratoire LISN du CEA et le centre de matériaux de l'école des mines de paris.
Développement d'une condition limite de couplage multi-échelles / multi-modèles
Dans le domaine de la thermohydraulique, les codes CFD (Computational Fluid Dynamics) font partie des outils de calcul scientifique les plus couramment utilisés pour des analyses de conception et d'évaluation de sûreté.
Les codes CFD proposent une résolution tridimensionnelle des équations de Navier-Stokes.
L'approche la plus souvent retenue consiste à résoudre une formulation moyennée des équations de Navier-Stokes (Reynolds-averaged Navier-Stokes).
Cette approche permet d'obtenir une résolution détaillée d'un écoulement au prix d'un nombre limité d'hypothèses (modèles de turbulence, lois de parois).
La discrétisation spatiale du domaine de calcul requiert un nombre de volumes de contrôle élevé pour atteindre un bon niveau de précision.
Les ressources informatiques nécessaires pour mener à bien un calcul industriel sont importantes et ne permettent pas, à l'heure actuelle, d'envisager de traiter des cas de transitoires complexes, par exemple diphasique, dans le circuit primaire complet d'un réacteur nucléaire.
Une autre approche consiste à retenir une discrétisation spatiale plus grossière pour réduire le temps de calcul.
Selon les cas, les bonnes pratiques de l'approche RANS ne peuvent pas être respectées. On doit alors ajouter un certain nombre d'hypothèses pour assurer la précision du calcul qui se traduisent par l'ajout de modèles supplémentaires comme par exemple des lois de pertes de charges, des corrélations de transfert thermique, des termes de mélange, etc. Cette approche est souvent appelée approche poreuse.
Quelle que soit l'approche retenue, le système modélisé est généralement un circuit ouvert. Des conditions aux limites sont donc nécessaires afin que le système d'équation puisse être résolu.
Les méthodes de couplage multi-échelle proposent d'utiliser chaque approche là où elle est la plus indiquée. L'objectif est d'utiliser l'approche la moins coûteuse possible tout en maintenant un bon niveau de détail dans la représentation des phénomènes physiques impliqués.
Les approches de couplage distinguent les méthodologies unidirectionnelles (one-way coupling) des méthodologies bidirectionnelles (two-way coupling).
Dans la méthodologie unidirectionnelle, les conditions aux limites issues d'un premier calcul sont fournies à un second calcul. Il n'y a pas de rétroaction du second code vers le premier.
Dans la méthodologie bidirectionnelle, les codes échangent, le plus souvent à chaque pas de temps, par l'intermédiaire des conditions aux limites qui permettent une rétroaction entre les deux codes. C'est cette dernière méthodologie qui est retenue.
Les conditions aux limites classiquement utilisées sont le plus souvent développées pour des calculs où seules des données macroscopiques sont disponibles, débit et température en entrée et pression en sortie.
Dans le cas d'un couplage multi-échelle des informations plus détaillées sont disponibles, par exemple les champs de vitesse et de pression.
Dans le cadre de cette thèse, on cherche à développer des conditions aux limites qui puissent exploiter toutes les informations complémentaires nécessaires afin de rendre l'interface entre les deux codes la plus transparente possible.
Pour fixer les idées, on souhaiterait que, dans le cas théorique où deux instances d'un même code se partagent un domaine physique en appliquant exactement la même modélisation et discrétisation spatiale, les résultats obtenus par le couplage de ces deux instances soient identiques à celui d'une unique instance du même code calculant le domaine complet.
Analyse expérimentale et numérique des interactions fluide-structure dans la propagation des ondes de raréfaction à travers des structures complexes des réacteurs à eau pressurisée
L'accident de perte de réfrigérant primaire (APRP) dans les réacteurs à eau pressurisée (REP) entraîne des phénomènes transitoires rapides, tels que la propagation d'ondes de raréfaction dans les structures internes du réacteur. Ces ondes provoquent des charges de pression transitoires entre différentes zones, comme le cœur du réacteur et la zone de by-pass, ce qui exerce des contraintes sur le cloisonnement. La déformation de cette structure critique peut compromettre l'intégrité structurelle du réacteur et compliquer la manipulation des assemblages de combustible, notamment leur retrait après l'accident.
Le principal objectif scientifique est de développer, implémenter et valider de nouveaux modèles numériques permettant de simuler de manière plus précise la propagation des ondes de raréfaction à travers des obstacles complexes. L’état de l’art actuel repose sur des modèles simplifiés, validés uniquement pour des configurations simples comme les plaques à simple orifice (diaphragmes). Cependant, il existe un besoin d’élargir ces modèles à des géométries plus complexes, telles que les plaques à trous multiples, en utilisant différents méthodes numériques.
L’élaboration d’un modèle de porosité pour représenter les assemblages combustibles est également cruciale. Les résultats attendus seront validés expérimentalement et ont des applications directes pour les partenaires industriels EDF et Framatome, renforçant l'intérêt industriel de cette recherche.
La thèse adoptera une approche combinée, à la fois expérimentale et numérique. L’utilisation de la plateforme MADMAX permettra de tester différents obstacles complexes et de recueillir des données expérimentales détaillées grâce à des capteurs spécialisés. Ces données serviront à valider les modèles numériques développés dans le logiciel EUROPLEXUS. De plus, les simulations incluront des approches novatrices telles que un nouveau modèle de porosité pour les structures internes des réacteurs. La participation à des conférences internationales et la publication des résultats sont prévues pour assurer la diffusion scientifique des avancées.
La thèse se déroulera au laboratoire DYN du CEA Paris-Saclay, qui dispose d’équipements expérimentaux uniques, comme la plateforme MADMAX, et d’une forte expertise en modélisation numérique. Plusieurs collaborations industrielles (EDF, Framatome) et académiques offriront un environnement riche pour le doctorant, avec des échanges réguliers au sein de réseaux internationaux.
Le candidat idéal devra avoir de solides compétences en mécanique des fluides, dynamique des structures, modélisation numérique (éléments finis, volumes finis), et en programmation. Une première expérience avec des outils comme EUROPLEXUS sera un plus. Un stage de M2 pourra être proposé pour familiariser le candidat avec les méthodes et outils utilisés dans cette thèse.
Cette thèse permettra au doctorant d’acquérir des compétences hautement spécialisées en interactions fluide-structure, modélisation numérique et expérimentation dans un contexte industriel. Ces compétences sont très recherchées dans les secteurs de l’énergie, de l’aéronautique et des technologies de simulation avancée, ouvrant la voie à des carrières dans la recherche appliquée ou l’ingénierie dans l’industrie.
Modélisation de la condensation en film pour les systèmes passifs: de l'expérimentation aux outils CFD et système
Avec leur fiabilité accrue, les systèmes passifs sont aujourd’hui envisagés dans les réacteurs innovants. En particulier, le SAfety COndenser (SACO), permet d’extraire la puissance résiduelle de façon passive vers le circuit secondaire. La vapeur provenant du Générateur de Vapeur (GV) est condensée dans un échangeur vertical immergé, puis les condensats retournent au GV par circulation naturelle. Il apparait alors primordial de prédire précisément la condensation dans les outils de calcul scientifique.
CATHARE-3 est le code thermo hydraulique à l’échelle système de référence en France. Ce dernier est utilisé pour les études de sûreté des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). Il utilise un modèle de condensation en film validé sur les tests à effets séparés COTURNE. Représentatifs de la condensation en mode caloduc dans les REP, ils présentent des écoulements majoritairement gouvernés par la gravité et, en partie, par le frottement interfacial. Cependant, ce modèle standard n’est plus valide pour le domaine de fonctionnement du SACO, dominé lui par le frottement interfacial.
Aussi, les travaux récents sur le SACO ont montré une surestimation systématique de la condensation par CATHARE-3. L’objectif principal de la thèse est d’améliorer le modèle de CATHARE-3, en s’appuyant d’une part sur des données expérimentales nouvelles (projet européen EASI-SMR) et d’autre part en utilisant des méthodes de remontée d’échelle à partir de neptune_cfd (code de calcul CFD).
Modélisation de la condensation et solidification des gaz de l’air sur une paroi froide : application à la simulation de la perte de vide d’isolement d’un réservoir d’hydrogène liquide
Une utilisation de plus en plus répandue de l’hydrogène liquide (LH2), notamment pour la mobilité décarbonée, soulève des enjeux en matière de sûreté étant donné son caractère fortement inflammable. Un des accidents majeurs des systèmes cryogéniques est la pénétration d'air suite à une rupture de l'enveloppe externe d'un réservoir isolé sous vide. Lors d’un tel événement, les gaz de l'air se liquéfient et se solidifient sur les parois froides, provoquant un fort apport de chaleur et une brutale surpression du système. Les organes de protection et la conduite de décharge doivent être dimensionnés de manière à évacuer le fluide cryogénique en toute sûreté et éviter tout risque d'explosion. L’objectif de cette thèse est de développer une modélisation permettant de simuler ce genre de scénario avec le code CATHARE. Un effort particulier sera fourni pour modéliser l’échange de chaleur par liquéfaction et solidification à travers la paroi du réservoir. Ces travaux s’appuieront notamment sur la campagne expérimentale de perte de vide d’isolement qui va être réalisée en LH2 par le CEA dans le cadre du projet ANR ESKHYMO. Par ailleurs, l’usage d’un outil de simulation à échelle locale comme neptune_cfd pourra aider à la construction de modèles dans CATHARE par remontée d’échelle. La méthodologie développée pourra finalement être utilisée pour la simulation d’un système représentatif d’une installation industrielle.
Effet d’hétérogénéités structurelles sur les écoulements de fluide à travers une paroi en béton armé
Le bâtiment réacteur représente la troisième barrière de confinement dans les centrales nucléaires. Il a pour rôle de protéger l’environnement en cas d’accident hypothétique en limitant les rejets vers l’extérieur. Sa fonction est donc étroitement liée à son étanchéité qu’il doit conserver durant toute sa durée de fonctionnement. Classiquement, l’estimation du taux de fuite s’appuie sur une bonne connaissance de l’état hydrique et des potentiels désordres mécaniques, associés à des lois de transfert (comme la perméabilité) dans une démarche de simulation chaînée (thermo-)hygro-mécanique. Si le comportement mécanique de la structure est aujourd’hui globalement maîtrisé par le recours à des outils de simulation avancés, des progrès restent nécessaires pour améliorer la compréhension et la quantification des écoulements. C’est particulièrement le cas en présence d’hétérogénéités (fissures, nid de cailloux, reprise, armatures, câbles, etc.) qui représentent autant de situations pouvant perturber localement la perméabilité. C’est dans ce cadre que se place le sujet de thèse proposé. Il s’agira d’améliorer la compréhension et la représentation des écoulements à travers une structure en béton armé en s’appuyant sur une démarche combinant essais expérimentaux et modélisation. Une première analyse permettra de définir un plan d’expérience optimisé selon plusieurs configurations (chemins de fuite, type d’écoulement, température, saturation…) qui sera ensuite mise en œuvre durant la thèse. Les résultats seront analysés afin de caractériser empiriquement l’influence du chemin de fuite sur les lois macroscopiques classiquement utilisées (loi de Darcy). Une approche de simulation plus fine sera ensuite développée, en s’appuyant la méthode d’éléments finies. L’objectif sera de reproduire les résultats expérimentaux et les étendre au comportement des enceintes de confinement, améliorant ainsi les outils de modélisation actuellement disponibles.
Modélisation et simulation de la fusion et de la fissuration du béton en cas d’interaction corium béton
Dans certaines situations accidentelles, il est important d’évaluer les conséquences induites par un chargement thermique sévère sur le comportement mécanique de structures en béton, notamment vis-à-vis d’une fissuration potentielle. C’est particulièrement le cas dans l’étude de l’interaction corium – béton. Dans le cadre de l’évaluation des conséquences d’un accident grave hypothétique, une fusion du cœur peut être considérée, jusqu’à un percement de la cuve. Le mélange en fusion, appelé corium, se répand alors dans le puits de cuve et entre en contact avec le béton. Divers phénomènes peuvent se produire conduisant à une ablation partielle du matériau. Compte tenu des enjeux en termes de protection de l’environnement, il est indispensable de disposer d’outils de modélisation permettant de représenter les mécanismes en jeu. Dans le cadre de cette thèse, il s’agira de développer une méthodologie de simulation complète pour représenter les conséquences mécaniques de l’interaction corium-béton, en y intégrant notamment une modélisation à l’échelle locale pour représenter l’ablation du matériau cimentaire. Une attention particulière sera notamment portée au modèle de fissuration du béton (développement d’un modèle adapté au chargement thermique sévère, critères d’ablation du béton) et au chaînage thermique-mécanique-écoulement des outils pour la représentation d’une pénétration du corium dans les fissures. Ce travail sera réalisé en collaboration entre le CEA SACLAY (disposant de premiers outils de simulation du comportement thermomécanique) et le CEA Cadarache (disposant des compétences numériques et expérimentales autour de l’interaction corium-béton).
Modélisation des transitions d’écoulements diphasiques dans le formalisme hybride continu/dispersé
Dans l'industrie nucléaire, la simulation d’écoulements diphasiques peut nécessiter la modélisation de poches de gaz et/ou de panaches de bulles plus ou moins déformées. Ces écoulements transitionnent depuis des écoulements à bulles, dits dispersés, vers des régimes séparés, dits continus avec grandes interfaces, et inversement. Le défi est de modéliser les transitions entre ces régimes pour mieux comprendre les phénomènes complexes qui en découlent. Actuellement, on utilise deux approches différentes : statistique pour les bulles et la reproduction des grandes interfaces pour les poches et bulles très déformées. Cependant, la combinaison de ces méthodes dans un cadre unifié reste un verrou scientifique à résoudre.
Le travail de thèse proposé vise à développer une méthode capable de modéliser les transitions entre phases continue et dispersée ainsi que leur coexistence. Cela impliquera l'analyse de données expérimentales, le développement d'outils numériques dans le code NEPTUNE_CFD, et la validation à travers des cas académiques et industriels. Les applications incluent la modélisation des bulles de Taylor, l'étude des transitions dans la maquette METERO H et l'analyse des écoulements dans des faisceaux de tubes. Les résultats attendus permettront d'améliorer les simulations de ces écoulements complexes dans des contextes industriels.