Ruptures de plaques métalliques sous choc : fissurations et perforations dynamiques
Il est nécessaire de développer des outils de simulation de perforation de plaques métalliques, permettant de garantir leur bonne tenue. Les simulations actuelles (utilisant un modèle de Johnson-Cook couplé à un critère de rupture uniquement basé sur une déformation plastique critique) permettent de restituer convenablement le fait que ces plaques se perforent ou pas, mais la compréhension fine et la simulation précise des différents modes de rupture observés peuvent être améliorées. Il semble ainsi difficile de pouvoir extrapoler avec confiance ces modèles dans des domaines de fonctionnement non étudiés expérimentalement.
L’objectif de cette thèse est donc de pouvoir proposer une modélisation à base physique qui puisse reproduire les différents modes de ruine (notamment les modes de « petaling » ou de « plugging »), en fonction de paramètres d’importance comme l’épaisseur des plaques, la vitesse d’impact, l’angle d’incidence, ou encore la présence ou non de raidisseurs. Cela nécessitera une étude de l’influence de la vitesse de déformation sur les mécanismes d’endommagement et la fissuration, couplée à une sélection des méthodes numériques et des modèles de comportement et de rupture adaptés. Des travaux à la thématique proche ont été développés dans le cadre de la thèse de Simon (2019). Des caractérisations multi-échelles, mécaniques et microstructurales, via des moyens d’essais avancés, seront donc menées, alimentant les développements de simulations sur clusters de calculs HPC.
Modélisation de la capture de particules par des mousses aqueuses
Les mousses aqueuses constituent un moyen de protection efficace contre la détonation d'engins explosifs. En effet, utilisées en recouvrement de ce type de menace, elles réduisent significativement le souffle et capturent efficacement les particules micrométriques pouvant être émises. La modélisation de ces phénomènes dans un code multiphasique est ainsi d'importance pour pouvoir traiter une grande variété de cas complexes. Plusieurs thèses sur le sujet ont abouti à un modèle reproduisant convenablement l'atténuation du souffle mais la modélisation de la capture des particules est encore à parfaire.
La thèse proposée prend la suite directe de la dernière réalisée sur le sujet. Celle-ci avait abouti à une modélisation de la trainée des particules dans la mousse qui est encore perfectible au niveau de sa formulation et dont le champ d'application reste limité. L'objectif de la thèse est donc de proposer un nouveau modèle pouvant être intégré à un code de simulation multiphasique et permettant de restituer la capture de particules micrométriques par une mousse aqueuse. Pour cela, le doctorant pourra s'appuyer sur une ré-exploitation des données expérimentales existantes, des simulations détaillées à l'échelle de la particule. Le doctorant pourra également réaliser de nouvelles expériences élémentaires si cela s'avérait nécessaire.
Au cours de la première année, l'étudiant réalisera une étude bibliographique, se familiarisera avec le code de simulation multiphasique et réexploitera les données expérimentales existantes. Grâce à cela, il proposera un programme de travail qu'il appliquera en deuxième année. Ce programme pourra comprendre des simulations détaillées à l'échelle de la particule. En dernière année, le doctorant exploitera les résultats dans le but d'établir et d'implémenter un nouveau modèle qu'il validera grâce aux données expérimentales.
Résolutions de problèmes inverses par deep learning appliqués à l'interférométrie
Dans la continuité des travaux de thèse de Benoît Rougier et de Jérémi Mapas appliqués à l'interférométrie radiofréquence sur la compréhension de la propagation d’une onde électromagnétique à travers une onde de choc pour l'étude à cœur des propriétés de matériaux innovants, cette thèse vise à exploiter les signaux bruts du radio interféromètre pour déterminer simultanément la vitesse d’un choc et la vitesse matérielle dans des solides inertes ou énergétiques soumis à un choc soutenu ou non-soutenu. Un modèle de propagation des ondes millimétriques dans un milieu dissipatif présentant deux couches diélectriques séparées par des interfaces en mouvement a été élaboré pour adresser le cas du choc soutenu. Une résolution du problème inverse du modèle à deux couches avec pertes a été proposée avec l'apport du deep learning et des réseaux convolutifs. Un modèle multicouche sans pertes diélectriques a été également initié pour le cas du choc non soutenu.
L’exploitation des signaux bruts de l’interférométrie laser pour la mesure de vitesse d’interface fait également l’objet de nombreux travaux en traitement du signal avec par exemple l’utilisation de la transformée de Fourrier glissante, et/ou de la méthode des ondelettes. L’application du deep learning à l’interférométrie laser est recherchée pour permettre d’améliorer l’analyse des résultats. La synergie entre les deux approches métrologiques est un atout pour améliorer l’architecture des réseaux de neurone, notamment avec des méthodes d’apprentissage basées sur la modélisation des signaux bruts.
Références :
Reflection of Electromagnetic Waves on Moving Dielectric Interfaces for Analyzing Shock Phenomenon in Solids, B. Rougier, H. Aubert, A. Lefrancois, Y. Barbarin, J. Luc, A. Osmont, RadioScience, 2018
Plus particulièrement, l’objectif consistera à approfondir la compréhension et la modélisation des phénomènes de transmission et de réflexion d’une onde électromagnétique se propageant dans un matériau soumis à un choc, à améliorer le travail d’inversion du modèle de propagation à partir de réseaux de neurones afin de pouvoir extraire de manière plus précise la vitesse de choc, la vitesse matérielle et l’indice de réfraction choqué du signal rétrodiffusé dans le matériau et enfin de concevoir des campagnes expérimentales afin d’acquérir des données nous permettant de valider les différents modèles développés.
Evaluation probabiliste des contraintes sur un réseau électrique vis-à-vis d’une agression conduite
La vulnérabilité des systèmes électroniques aux agressions électromagnétiques intentionnelles est une question extrêmement sensible au regard des évolutions technologiques et du déploiement de nombreux équipements électroniques pour la gestion de processus critiques. Les effets d’une contrainte couplée sur un réseau électrique basse tension et de sa propagation dans une installation, à travers le circuit de distribution électrique jusqu’aux équipements terminaux, est un sujet actuel d’intérêt vis-à-vis de ces menaces. La détermination des niveaux de contrainte à l’entrée des équipements est une donnée fondamentale pour l’analyse de cette vulnérabilité, et elle est fonction de nombreuses données d’entrée (position et nombre de câbles d’alimentation, impédances de charge terminales), peu précisément connues et très variables d’une installation à l’autre. Une approche stochastique est donc proposée pour estimer les incertitudes et leurs propagations dans un modèle de réseau électrique.
Les objectifs de cette thèse seront de rechercher et d'étudier les performances de méthodes d’apprentissage pour représenter le problème initial par une fonction simplifiée pour une estimation efficace des distributions probabilistes de niveaux de contrainte ou de la probabilité de dépassement de seuil de susceptibilité. Pour valider la méthode d'apprentissage retenue, une maquette expérimentale représentative d'un réseau de distribution électrique sera réalisée. Les résultats expérimentaux pourront alors être confrontés à ceux de la méthode stochastique sur cette maquette.
De T0 à T0 + 4 mois : choix des méthodes et outils de modélisation et état de l'art sur les méthodes d'apprentissage.
De T0 + 5 mois à T0 + 6 mois : détermination de configurations d'intérêt et de complexité croissante / Définition des incertitudes et hypothèses de distributions. De T0 + 7 mois à T0 + 18 mois : recherche de méthodes d'apprentissage adaptées au problème posé (propagation d'interférences dans les réseaux électriques) et à sa dimension (nombre de variables d'entrée). Déclinaison de la méthode en fonction de l'objectif de distribution de la contrainte ou de probabilité de dépassement de seuil.
De T0+19 mois à T0 + 22 mois : validation théorique et indicateurs de performance, le modèle initial constituant la référence.
De T0 + 23 mois à T0 + 30 mois : réalisation d'essais sur maquette expérimentale et confrontation avec l'approche théorique proposée. De T0 + 31 mois à T0 + 36 mois : rédaction du manuscrit de thèse.
Amélioration d’explosifs par structuration des cristaux avec le procédé d’Evaporation Flash de Spray
De nouvelles voies de formulation de matériaux énergétiques sous forme de granulés de RDX enrobés d’ONTA et d’aluminium enrobé d’ONTA ont été identifiées dans la littérature chinoise et coréenne. La vitesse de détonation annoncée pour un explosif formulé à partir de granulés ONTA-HMX en rapport 1:1 molaire est supérieure à celle de l’octogène avec une sensibilité au choc proche de celle de l’ONTA, ce qui est prometteur dans l’optique de nouveaux explosifs à usage conventionnel.
Nous avons réalisé des simulations thermochimiques de compositions HMX-ONTA-Al à différents taux d’HMX qui montrent une nette amélioration des performances balistiques et de brisance par rapport à l’octogène et la composition PBXN109, sans dégrader les effets de souffle. Ces travaux mettent en exergue une nouvelle voie de formulation permettant d’allier une performance accrue des explosifs et une faible sensibilité (celle de l’ONTA).
La technique d’Evaporation Flash de Spray (SFE en anglais) développée par le laboratoire NS3E (Nanomatériaux pour des Systèmes Sous Sollicitations Extrêmes) sous tutelle de l’ISL, du CNRS et de l’Université de Strasbourg (UAR 3208) permet d’obtenir une structuration de l’explosif à l’échelle micrométrique à nanométrique. La thèse de Maxime Blanchon (2021-2024) a permis de produire les premières structures cœur-coquilles HMX-ONTA avec un ratio molaire 1:1. Les poudres obtenues présentent une sensibilité intermédiaire entre le HMX et l’ONTA avec des performances détoniques en accord avec la thermochimie, tout en conservant la capacité à détoner sous forme de charges de 3 mm de diamètre.
Ce travail constitue un sujet de thèse novateur et en rupture technologique avec ce qui se fait actuellement. Il est proposé de poursuivre ces travaux par une nouvelle thèse pour compléter la caractérisation des matériaux obtenus et les améliorer en jouant sur la nature des constituants et les balances en oxygène, en mesurant les caractéristiques détoniques à petite échelle sur des charges de dimensions centimétriques, en fonction de la densité, puis en étudiant leur comportement détonique (transition vers la détonation) via des expériences de laboratoire et des simulations.
Le travail est réalisé en collaboration entre le centre de Gramat (46) et l'institut de Saint Louis.
1ère année : analyse des expérimentations réalisées sur les structures de Maxime Blanchon, réflexion sur des améliorations des produits
2ième année : réalisation de nouvelles structures et caractérisation
3ième année : Rédaction du manuscrit
Système interférométrique rapide à réinjection optique fibré pour la mesure de surpression aérienne
Le CEA (Commissariat à l’Energie Atomique et aux énergies alternatives) est l’un des plus importants centres de recherche français. Le site de Gramat est le centre de référence de la Défense en vulnérabilité des systèmes et des infrastructures. L’équipe de recherche du LAAS-CNRS, Optical And Smart Integrated Sensors, à Toulouse est l’une des équipes les plus avancées au monde dans la conception de capteurs interférométriques intégrés dit à réinjection optique (Optical Feedback Interferometry - OFI).
Ces capteurs simples et compacts couvrent un vaste domaine de mesures : vibration, vitesse, distance, etc. et plus récemment la mesure de variation de pression dans le domaine acoustique mais également dans des gammes de pression plus élevées comme on en rencontre dans le cas d’explosions. Dans le cadre d’une collaboration entre le LAAS-CNRS et le CEA, un capteur par réinjection optique pour l’observation d’onde de choc a été évaluée et un modèle acousto-optique a été développé.
Les premiers essais ont démontré à la fois le fort potentiel de cette technologie et les trois difficultés suivantes: l’absence de déport de la mesure par fibre optique, une bande passante globale un peu limitée et suivant les niveaux de pression une résolution limitée. L’objectif de cette thèse est le développement d’un nouveau capteur dont le laser sera conçu pour fonctionner avec un déport en fibre optique et avec une bande passante approchant le GHz. L’effet de réinjection optique est très différent de ce qui a pu être fait par le passé et la bande passante demandé repoussera grandement les limites actuelles. En parallèle, le doctorant devra améliorer la résolution du capteur soit en agissant sur sa conception pour avoir accès à la phase du signal de mesure soit via un traitement du signal innovant. Les incertitudes de mesure seront également évaluées. La mise en œuvre du futur prototype sur des campagnes de mesures et le traitement de données acquises au CEA-Gramat en seront l’aboutissement.
Le déroulement de la thèse proposée est dans un premier temps de s'approprier la technologie de réinjection optique et les précédents résultats. Pour déporter la mesure, une étude théorique pour choisir le meilleur laser et la meilleur fibre optique sera menée. Une étude parallèle portera sur les solutions pour améliorer les la résolution du capteur. Après des essais de laboratoire au LAAS-CNRS pour valider par partie le capteur, des expériences maitrisées intermédiaires seront réalisées au tube à choc du CEA Gramat avant une démonstration expérimentale en conditions réelles sur une dalle d’essais.
Modélisation de la dynamique des faisceaux d’électrons dans les accélérateurs linéaires à induction
Cette thèse s’intéresse à la modélisation enveloppe et Particle-In-Cell (PIC) de la dynamique des faisceaux intenses d’électrons dans les accélérateurs à induction (LIA) et à la validation expérimentale de ce modèle. Les LIA utilisés en radiographie éclair transportent des faisceaux d’électrons impulsionnels (quelques dizaines de nanoseconde) à la fois intense (plusieurs kA) et de haute énergie (environ 20 MeV) afin de produire une source pénétrante de rayonnement X de faibles dimensions spatiales par rayonnement de freinage sur un matériau dense. Le faisceau initialement produit à une énergie proche de 4 MeV est injecté dans la ligne accélératrice où les électrons acquièrent progressivement de l’énergie en passant au niveau des gaps accélérateurs de cellules à induction. Dans un LIA, la compréhension et la maîtrise de la dynamique des faisceaux d’électrons sont nécessaires au succès d’une expérimentation réalisée dans des conditions extrêmes.
De nombreuses propriétés d’intérêt du faisceau d’électrons (dimension, position, quantité de mouvement, énergie, émittance) contribuent aux caractéristiques de la source de rayonnement X, elles-mêmes directement reliées à la qualité de la radiographie finale. Les énergies et les intensités des faisceaux sont telles que les forces auto-induites jouent un rôle clé dans leur dynamique. Les codes de simulations contribuent de manière significative à la compréhension et à la maitrise de la dynamique du faisceau. Aujourd’hui, l’étude de cette dynamique est majoritairement réalisée avec des codes enveloppe qui permettent de l’appréhender macroscopiquement et qui fournissent un formalisme intéressant d’un point de vue opérationnel pour régler le transport du faisceau. La méthode PIC, complémentaire de l’approche enveloppe, est également utilisée pour simuler la dynamique du faisceau. Elle permet une description plus complète de la physique mise en jeu dans les LIA [1] en reproduisant la quasi-totalité des phénomènes (accroissement d’émittance, évolution des distributions des particules, développement des instabilités de faisceau …) au prix cependant d’une importante mobilisation de ressources de calcul. De plus, elle permet d’appréhender les phénomènes mis en jeu lors d’un fonctionnement à plusieurs impulsions [2].
L’objectif de cette thèse est d’étudier par modélisations enveloppe et PIC la dynamique des faisceaux intenses d’électrons dans les accélérateurs à induction de l’installation EPURE et de valider ce modèle expérimentalement. Cette étude permettra de quantifier et intégrer les phénomènes physiques participant à l’évolution des propriétés du faisceau lors de son transport. Les outils développés lors de cette étude serviront à optimiser et prédire le transport en intégrant notamment les instabilités de type Beam Break-Up, Corkscrew ou ion hose qui dégradent la qualité du faisceau d’électrons. L’étude de l’impact de ces différentes contributions sur le transport du faisceau permettra d’évaluer les performances d’un accélérateur fonctionnant en simple ou en multi-impulsions. Dans un premier temps, l’étudiant se familiarisera aux codes PIC et enveloppe décrivant la dynamique des faisceaux dans les LIA en vue de les améliorer notamment au moyen d’algorithme génétique permettant d’optimiser le transport via les nombreux éléments de guidage du faisceau (solénoïdes, déviateurs …). Puis, l’évaluation et la prise en compte de phénomènes physiques complémentaires seront réalisées. Une validation du modèle de simulation sera ensuite faite à partir des données expérimentales obtenues sur les LIA de l’installation EPURE. Des stratégies de transports adaptées à des cas opérationnels et prospectifs multi-impulsions pourront être proposés sur les bases du modèle développé.
[1] J.M. Plewa et al., “High power electron diode for linear induction accelerator at a flash radiographic facility”, Phys. Rev. Accel. Beams, 21, 070401 (2018).
[2] R. Delaunay et al., “Dual-pulse generation from a velvet cathode with a new inductive voltage adder for x-ray flash radiography applications”, Phys. Rev. Accel. Beams, 25, 060401 (2022).
Etude et modélisation de l'impact de rayonnements ionisants sur des composants rapides innovants
Le CEA Gramat est le centre de référence de la Défense en vulnérabilité des systèmes et des infrastructures et efficacité des armements. Le Service des Effets Radiatifs et Electromagnétiques étudie la vulnérabilité de composants électroniques aux effets induits par des particules de haute énergie. Ces études ont pour objectif d’estimer le degré de susceptibilité de ces systèmes en environnement radiatif sévère. Les technologies de composants électroniques évoluent rapidement pour répondre aux exigences croissantes de vitesse, transmission de puissance, compacité, bande passante, fonctionnement à des températures élevées. Les nouveaux composants vont permettre de répondre aux besoins futurs des applications hyperfréquences et aux problématiques de la commutation rapide de puissance. Dans le cadre des domaines de l'aérospatial, de la défense, du nucléaire, du médical, et des recherches de physiques, ces composants devront en plus résister à l'impact de rayonnements ionisants.
L'objectif de cette thèse est d'étudier l'impact de rayonnements ionisants (exemples X, électrons, protons…) sur des composants innovants utilisés dans le domaine de l'émission en radio-fréquence et en commutation rapide. L'étude envisagée porte principalement sur des matériaux à grand gap (exemple GaN et SiC) mais d'autres technologies prometteuses pourront être envisagées. Les composants seront étudiés dans des régimes de fonctionnement dynamiques dans leur contexte d'utilisation. Cette thèse sera constituée d'un volet expérimental important qui permettra d'observer et de quantifier les effets de l'irradiation sur les différents composants. En parallèle, le second volet aura pour objectif de modéliser et d'expliquer les effets observés, notamment en dynamique, afin de déterminer quelles structures et quels matériaux sont les plus aptes à être utilisés dans les futures applications.
Cette thèse s'effectuera avec le laboratoire XLIM de l'Université de Limoges et fera l'objet de collaborations avec la société INOVEOS. Elle débutera par une étude bibliographique qui permettra d'identifier les composants d'intérêt. Ensuite l'approvisionnement, la conception et la réalisation des cartes de test seront conduits par le doctorant. La méthode de métrologie et le banc de test seront définis avant de procéder aux essais sous différents moyens d'irradiation qui auront lieu principalement au CEA. Une phase d'identification de la structure des composants sera réalisée avant et après irradiation. En parallèle, la modélisation du composant et la simulation de l'impact de l'interaction rayonnement matière seront réalisées à l'aide différents codes de calculs (exemple MCNP, GEANT4, TCAD, ADS, CST...).
Caractérisation expérimentale et numérique de plasmas produits par impulsions de courants intenses
Le projet EOLE « Electro-explosion Obéissant à la Loi d’Echelle » explore une technique originale pour simuler les effets d’une explosion de forte énergie. L’injection d’un courant impulsionnel intense dans un fil ou un ruban provoque son explosion et génère une onde de souffle sphérique qui se propage dans l’air ambiant, puis vient interagir avec une maquette sous test. La faisabilité de cette technique a été démontrée en 2021 au CEA/Gramat en développant un générateur compact de courant impulsionnel intense (qq centaines de kA) ainsi qu’une configuration de fil explosé permettant de générer une explosion sphérique d’énergie conforme aux attentes.
L'objectif de ces travaux de thèse est d'utiliser différents codes de calculs développés au CEA afin de caractériser le plasma généré lors des expérimentations avec le générateur EOLE. Plus précisément, il s'agit de caractériser le plasma produit lorsqu'un courant impulsionnel intense se propage dans un fil métallique placé dans l'air ambiant.
A partir de mesures expérimentales mises en oeuvre (spectroscopie, mesures de vitesse, mesures de pression, ...), le(a) candidat(e) devra restituer ces résultats par simulation avec des codes existants . L'une des premières restitution consiste à utiliser une modélisation collisionnelle - radiative des ions pour comprendre la phénoménologie du plasma créé. Un deuxième outil consiste à utiliser un code Lagrangien monodimensionnel prenant en compte les effets hydrodynamiques engendrés par l'explosion.
Dans un premier temps, une étude bibliographique portant sur la génération de plasmas hors équilibre par impulsions de champs électriques, sera effectuée. Dans un deuxième temps, les modélisations avec le code 1D Lagrangien permettront de déterminer les paramètres macroscopiques du plasma. La modélisation du plasma sera effectuée dans un troisième temps en tenant compte du rayonnement produit par le plasma, et des collisions entre les ions. Enfin, les résultats du modèle seront validés par comparaison avec des mesures électromagnétiques (courants, tensions, champs E et H) et optiques (spectrométrie d'émission) effectuées sur le moyen EOLE.
Conception d'une cathode à forte densité de courant basée sur l'émission d'électrons secondaires
Dans le cadre d'un projet innovant, le CEA/DAM travaille sur des solutions novatrices permettant l'optimisation des systèmes de mise à feu. Dans ce contexte, en collaboration avec différents centres de la DAM, vous participerez à l'ensemble des études menant à la compréhension des phénomènes physiques d'une cathode à forte densité de courant basée sur l'émission d'électrons secondaires.
Vous contribuerez à la définition et à la réalisation de l'ensemble des expérimentations menant à la preuve de concept du dispositif étudié vis à vis de l'application visée.
L'ensemble des travaux de cette thèse se dérouleront au CEA GRAMAT (46)