Étude de rayonnements basse-fréquence produits par accélération de particules à ultra-haute intensité dans des plasmas relativistes
Les sources laser de puissance pétawatt délivrent de nos jours des impulsions optiques de quelques dizaines de femtosecondes et d’intensité supérieure à 1020 W/cm2. Lorsqu’un tel faisceau de lumière interagit avec un gaz ou une cible solide, les électrons accélérés par la force pondéromotrice du champ laser deviennent relativistes et acquièrent des énergies élevées, supérieures au GeV. Ces systèmes laser produisent aussi des rayonnements variés comme des photons X durs ou des paires électron-positron par conversion quantique de photons gamma. La technologie laser progressant rapidement, ces sources de lumière ont des dimensions de plus en plus compactes et elles complètent aujourd’hui de nombreux laboratoires internationaux abritant des synchrotrons ou des accélérateurs de particules classiques.
Si cette lumière extrême permet de générer du rayonnement dans les régions du spectre électromagnétique dont les fréquences sont les plus élevées, elle met aussi en œuvre, à travers les mécanismes de production d’ondes plasma et d’accélération de particules, des processus de conversion vers les fréquences beaucoup plus basses appartenant aux domaines gigahertz et térahertz (THz).
Disposer d’émetteurs de forte puissance dans cette bande de fréquence suscite de plus en plus d’intérêt en Europe, outre-Atlantique et en Asie. D’une part, la génération d'impulsions électromagnétiques intenses de fréquences GHz-THz est néfaste pour tout appareil électronique voisin de la zone d’interaction laser-plasma et les diagnostics utilisés sur les grandes installations laser de type PETAL/LMJ en région Aquitaine. Il convient donc d’en comprendre la nature afin de mieux les prévenir. D’autre part, les ondes opérant dans ce domaine permettent non seulement de sonder les mouvements moléculaires d’espèces chimiques complexes, mais elles offrent aussi de nouvelles perspectives d’imagerie en médecine pour la détection de cancers, en astrophysique pour l’évaluation des âges de l’univers, dans le domaine de la sécurité et la surveillance de l'environnement. Les processus responsables de cette émission violente de champ électromagnétique, s’ils sont contrôlés, peuvent conduire à la production de gigantesques champs magnétiques, supérieurs à 1000 Tesla, ce qui offre de nouvelles opportunités passionnantes pour de nombreuses applications telles que le guidage de particules, la physique atomique, la magnétohydrodynamique, ou encore la modification de certaines propriétés de la matière en champ fort.
L’objectif de cette thèse est d’étudier la physique de la génération de telles impulsions électromagnétiques géantes par de courtes impulsions laser interagissant avec des milieux denses, de construire un modèle basé sur les différents mécanismes de conversion laser-impulsions THz/GHz, et de valider ce modèle à l’aide d’expériences dédiées. Le travail proposé est principalement orienté sur une activité de modélisation analytique et de simulation numérique. Il sera réalisé au laboratoire CELIA sur le campus de Bordeaux.
Caractérisations et modélisation du vieillissement des tritiures métalliques : application au tritiure de palladium
L’exploitation de sources d’énergie alternatives comme la fusion requière le stockage et l’utilisation de quantités importantes d’hydrogène.
Ces travaux de thèse portent sur le stockage des isotopes de l’hydrogène par des hydrures de palladium réversibles, à basse pression d’équilibre. Ce stockage solide, assurant sécurité et compacité, est particulièrement intéressant pour le tritium, isotope radioactif de l'hydrogène dont la décroissance produit de l'3He. L’3He forme des nano-bulles qui modifient les propriétés physico-chimiques du tritiure de palladium, c’est le vieillissement. À l’atteinte d’un seuil critique, l’3He est relâché massivement ce qui peut engendrer une augmentation de pression dans le dispositif de stockage.
Afin de comprendre et prédire le phénomène de vieillissement, des matériaux vieillis sous tritium jusqu’à trente ans sont caractérisés. L'évolution de la microstructure, les nanobulles, la composition chimique ainsi que les propriétés mécaniques sont étudiées. Les données récoltées permettent d’améliorer et de poursuivre la modélisation du phénomène de vieillissement.
Etude numérique des supernovae à effondrement de coeur
Contexte : Il s'agit d'étude numérique de supernovae à effondrement de cœur. Au centre de l'étoile, le phénomène de supernova commence par un effondrement. Quand la matière dépasse la densité nucléaire, elle devient très dure, et la matière en effondrement rebondit dessus comme sur un mur. Ce phénomène crée un choc qui se propage puis s'arrête. La situation est alors la suivante : le choc est stationnaire. D'un côté, le chauffage par les neutrinos venant du centre dense et chaud tend à faire repartir celui-ci et faire exploser l'étoile. D'un autre côté, le reste de l'étoile continue à s'effondrer, ce qui pousse le choc vers le centre de l'étoile et vers l'effondrement en trou noir. Savoir quels progéniteurs (quelles étoiles massives) explosent et lesquels forment des trous noirs est un sujet actif de recherche : il n'existe pas de moyen simple et absolument fiable, sans faire de simulation numérique détaillée, de savoir si un progéniteur donné explose ou forme un trou noir.
Objectifs physiques : Connaître la physique des supernovae, la physique stellaire, et également la physique des étoiles à neutrons et des trous noirs. Savoir développer dans un code de physique numérique. Connaître le lien entre la physique numérique et la physique des lasers.
Déroulement : L'étudiant(e) se familiarisera avec l'hydrodynamique radiative avec des neutrinos, ceci dans un contexte relativiste. Il(elle) pourra enrichir ses connaissances en relativité générale. Une possibilité de reproduire certains aspects des explosions de supernovae en laboratoire avec des expériences laser sera étudiée. Le lien possible entre progéniteur (l'étoile massive sur le point de s'effondrer) et explosion (si l'étoile explose ou si elle forme un trou noir sans parvenir à exploser) sera étudié numériquement en détails. L'étudiant(e) construira des progéniteurs simplifiés où il(elle) pourra faire varier certains paramètres. Enfin, de nombreuses pistes existent pour améliorer cette première étude : implémentation d'autres méthodes numériques, passage en 3d, implémentation de nucléosynthèse, etc. L'étudiant(e) pourra également suggérer ses propres pistes.
Propagation des incertitudes pour la mesure d’Impulsions Electromagnétiques d’origine Nucléaire
Le CEA Gramat réalise des études dans le domaine de la vulnérabilité et du durcissement des équipements et systèmes militaires vis-à-vis
des agressions EM (électromagnétique). A ce titre, de nombreuses expérimentations sont menées notamment en ce qui concerne l’IEMN HA
(Impulsion Electromagnétique d’origine Nucléaire Haute Altitude). Les systèmes de mesure liés à cette activité, tels que les capteurs et
les chaînes de mesures de champ EM, sont généralement déployés dans des environnements sévères où les conditions de mise en oeuvre sont
complexes. Ces contraintes imposent de prendre des marges de sécurité importantes quant aux résultats expérimentaux obtenus car les sources
d’incertitudes ne sont pas toutes connues et/ou sont difficiles à maîtriser.
La thèse a pour objectif de mettre au point une méthode fiable de propagation des incertitudes dans le domaine impulsionnel IEMN HA.
Actuellement, il semblerait qu’aucune approche ne traite les incertitudes dans ce domaine. Le développement de cette méthode ou algorithme
pourra s’effectuer en s’appuyant sur des travaux liés aux problématiques de propagation des incertitudes (équations différentielles multivariables,
méthode de Monte-Carlo, matrice de covariance). Cet algorithme sera ensuite utilisé et validé au CEA Gramat en utilisant les
moyens disponibles en interne.
Modélisation géométrique rapide de la propagation des ondes de souffle
Lors d’une explosion, la libération soudaine d’une quantité finie d’énergie génère une onde de souffle au pouvoir dévastateur, comme lors des accidents de Beyrouth et d’AZF, ou lors d’éruptions volcaniques (Hunga Tonga). En interagissant avec le relief, le choc est réfléchi, diffracté, recombiné, ce qui conduit à un front d’onde de forme complexe, rendant difficile l’estimation des effets des explosions. La restitution de ces effets à l’aide de simulation numérique instationnaire et tridimensionnelle des équations d’Euler est accessible uniquement grâce aux supercalculateurs massivement parallèles du CEA-DAM . Une approche permettant de simuler rapidement la propagation des ondes de souffle est de réduire la dimension du problème en modélisant uniquement l’évolution du front d’onde . Le modèle Geometrical Shock Dynamics (GSD) de Whitham peut être résolu en 2D avec un algorithme Fast-Marching dans un temps compatible avec la prise de décisions en cas de risque d'explosion.
Les objectifs de la thèse sont d’adapter le modèle GSD aux ondes de souffle et de développer des algorithmes permettant de résoudre ce modèle en trois dimensions sur des architectures graphiques (GPU) de manière efficace. Le modèle actuel permet en effet de calculer le saut de pression du choc incident mais pas le choc réfléchi du fait de l’hypothèse de choc à passage unique. La difficulté réside dans le caractère anisotrope de l’équation eikonale résultante, qui met en défaut les méthodes classiques de type Fast-Marching. Une autre limitation apparait lors du traitement de cas 3D d’envergure. La parallélisation du code est ainsi nécessaire, mais rendue non triviale du fait du principe de causalité de la méthode Fast-Marching. Un algorithme spécifique sera développé en s’inspirant de travaux récents sur les algorithmes de Fast Iterative Method, autorisant une résolution efficace des modèles anisotropes sur GPU . La question de la gestion des obstacles sur grille cartésienne sera également abordée. Si l’approche actuelle, basée sur une méthode de frontière immergée fonctionne correctement lorsque le maillage est suffisamment fin, elle pourrait être revue lorsque la structure est petite devant la taille de maille. Enfin, le modèle pourra être enrichi physiquement afin de mieux prendre en compte la détente de pression en aval du choc en présence d’obstacle. Le code produit sera validé par comparaison à des expériences et simulations Euler, puis appliqué à des configurations de complexité croissante.
Ce travail pourra faire l’objet de communications dans des congrès internationaux et de plusieurs publications dans des revues de rang A. Il laisse une grande place à la créativité tout en gardant une finalité appliquée.
Caractérisation et modélisation du comportement mécanique triaxial du béton : influence du degré de saturation en eau et du chargement
Dans le cadre de ses activités pour la Défense, le CEA-Gramat développe des outils de modélisation pour évaluer la vulnérabilité d’infrastructures en béton armé aux impacts et explosions. La compréhension des mécanismes de dégradation du béton sous chargements extrêmes est donc d’importance majeure.
Des travaux antérieurs ont mis en évidence la forte influence de la teneur en eau libre sur le comportement quasi-statique du béton confiné et de la vitesse du chargement sur matériau sec ou totalement saturé.
L’objectif de la thèse est compléter ces connaissances par la caractérisation et la modélisation du comportement mécanique du béton à partir d’état de saturation en eau variables et dans des gammes de chargement (vitesse et triaxialité des contraintes) encore inexplorées. Plusieurs dispositifs expérimentaux seront mis en oeuvre: barres d’Hopkinson, impact balistique sur lanceur, presses de compression uniaxiale et triaxiale, micro-tomographie RX. Les essais réalisés seront simulés avec le code ABAQUS en utilisant un modèle de comportement poro-hydro-mécanique développé par le laboratoire. L’origine des éventuelles différences essais-calculs sera étudiée. Une évolution du modèle pourra être proposée, notamment pour rendre compte des temps caractéristiques des différents mécanismes mis en jeu aux échelles micro- et méso-structurales.
Modélisation des effets des radiations dans les composants électroniques GaN
Les radiations provenant de l’espace ou d’environnements liés à l’activité anthropique comme le nucléaire civil, produisent des défaillances et accélèrent le vieillissement des composants électroniques. L’ionisation et les charges produites au cours d’une irradiation perturbent le fonctionnement des électroniques des systèmes de manière transitoire ou cumulée. Cela produit des effets transitoires entraînant la dérive ponctuelle ou permanente des caractéristiques des composants électroniques. Il est capital d’évaluer précisément les densités de porteurs de charges générés par les radiations dans les parties sensibles des composants, comme les jonctions où règnent des champs électriques qui transforment les charges induites en signal transitoire (« Single Event ») et les isolants dans lesquels peuvent se piéger des quantités de charges croissantes, qui vont sur la durée entraîner des dysfonctionnements (dose cumulée). La modélisation fine du transport des particules (électrons, protons et ions) dans les matériaux de la microélectronique est essentielle pour estimer au mieux le dépôt dans les volumes sensibles des structures élémentaires de l’électronique. Dans ce contexte, le CEA en partenariat avec l’ONERA a développé, au cours de plusieurs thèses, le module MicroElec implémenté dans le framework Geant4 (collaboration internationale cf. https://geant4.web.cern.ch/) dédiée au transport des particules dans la matière. Ce module permet d’estimer de manière fine la distribution spatiale des charges consécutives au passage d’un ion dans le matériau actif des transistors de la microélectronique. Actuellement, le module MicroElec traite 11 matériaux adaptés à la microélectronique moderne Silicium.
Depuis quelques années, la Recherche et le Développement dans le domaine des composants GaN ont fortement progressé en performance, fiabilité et coût. Désormais, la technologie GaN présente un intérêt industriel même pour les applications ayant pour vocation à être utilisées sous radiations et nécessitant un fort niveau de fiabilité. Cependant, certains matériaux utilisés dans l’électronique de technologie GaN ne sont pas encore pris en compte dans MicroElec. Ainsi, le(a) doctorant(e) contribuera à l’extension de la liste de matériaux de MicroElec qui sera proposée à la communauté de recherche scientifique de la collaboration internationale Geant4 à laquelle les encadrants de cette thèse participent. Les modèles développés seront confrontés à des résultats de tests de composants GaN effectués au laboratoire auxquels le(a) candidat(e) pourra assister ou participer. Les outils TCAD (Technology Computer-Aided Design) du laboratoire pourront être utilisés pour restituer les effets électroniques des perturbations évaluées par MicroElec dans les composants électroniques.
Modélisation de composants et fonctions électroniques en environnement radiatif
Parmi ses activités, le CEA (Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives) est responsable de la conception et la qualification d'équipements électroniques résistants aux effets de différents environnements radiatifs. Actuellement, les principaux moyens utilisés pour apporter la garantie de durcissement d’une électronique sont expérimentaux. Le CEA développe également ses compétences dans le domaine de la simulation de systèmes électroniques. Le travail de thèse proposé s’inscrit dans cette démarche de simulation afin de consolider et d'enrichir les méthodes de modélisation électrique des composants et des fonctions sous radiations. L'encadrement sera assuré dans un contexte de collaboration entre le CEA Île-de-France et le laboratoire d'Intégration du Matériau au Système à Bordeaux.
Stabilité d'écoulements d'ablation en fusion par confinement inertiel : croissances transitoires
La fusion par confinement inertiel (FCI) vise à produire de l'énergie à partir de réactions nucléaires de fusion entre éléments légers. Une voie possible pour obtenir les hautes densités et températures nécessaires au déclenchement des réactions de fusion, consiste à imploser un micro-ballon, rempli d'un mélange fusible, au moyen d'un rayonnement intense. Ce rayonnement provoque une vaporisation violente – ablation – de l’enveloppe du micro-ballon conduisant à l’implosion de celui-ci. La durée limitée de l'implosion du micro-ballon met en exergue la nécessité d'identifier d'éventuelles croissances transitoires de perturbations susceptibles de dominer l'écoulement sur des temps courts. Pour cette thèse on souhaite procéder à de telles identifications pour des écoulements d'ablation auto-semblables fortement accélérés, à symétrie plane ou sphérique, pertinents pour décrire la phase principale d'une implosion. Ce travail sera mené au moyen d'une méthode direct-adjoint de l'analyse de stabilité non-modale, développée précédemment pour des écoulements d'ablation auto-semblables à faible accélération, qu'il faudra adapter aux configurations à fortes accélérations. Les résultats obtenus pourront être exploités pour définir dans un contexte plus réaliste des simulations « multi-physiques » d'implosions de micro-ballon.
Etude de la réponse dynamique du molybdène à un choc laser
Depuis quelques années, le molybdène est utilisé pour plusieurs applications dynamiques, notamment dans le domaine de la défense comme revêtement de charges creuses, impliquant de fortes sollicitations mécaniques (grandes vitesses de déformation, grandes déformations, fortes pressions, …). Pour autant, ce matériau a été caractérisé essentiellement en quasi-statique ou à des pressions extrêmes pour des besoins en planétologie, par exemple.
Les chocs laser, comparés à d'autres sources de sollicitations dynamiques (impacts, explosifs, ...), bénéficient de plusieurs avantages. Ils permettent de couvrir un large spectre de sollicitations - en faisant varier l'intensité, la taille et la durée du pulse laser - , d'étudier la réponse élasto-plastique du matériau à très haute vitesses de déformation, et de réaliser des analyses post-mortem facilitées par la capacité de récupération des échantillons offertes par ce dispositif.
L'objectif de ce travail de thèse, co-encadré par l'Institut Pprime à Poitiers, est de caractériser le comportement du molybdène sous choc laser, sur une gamme de sollicitations représentatives du fonctionnement d'une charge creuse, d'évaluer et de faire évoluer, si besoin, les modèles de comportement existants pour ce matériau. Des configurations innovantes seront également étudiées et mises en oeuvre.
A cette fin, le candidat devra notamment dimensionner, réaliser et exploiter des essais de choc laser permettant :
- de caractériser le comportement élasto-plastique par des mesures de vitesse en face arrière et, si possible, par des mesures de température;
- la récupération et l'analyse post-mortem des échantillons ;
- l'étude de la phase d'implosion génératrice du jet d'une charge creuse sur des échantillons entaillés ;
- l'analyse de l'effet d'un choc incliné sur le molybdène.