Assimilation de données hétérogènes dans des simulations de dispersion atmosphérique de radionucléides à échelle régionale
La modélisation et la simulation apportent des connaissances essentielles à la dispersion aérienne de gaz et de particules et au marquage de l’environnement qui en résulte. Ceci s’applique notamment aux rejets qui ont été engendrés par les essais nucléaires atmosphériques effectués dans le passé par la France en Polynésie. Si les calculs météorologiques et de dispersion à l’échelle régionale sont raisonnablement fiables, leurs résultats ont une part d’incertitude et présentent des écarts aux mesures hétérogènes des activités ou débits de doses dans l’air, sur le sol et dans les compartiments biologiques. La thèse visera à développer des méthodes d’inversion, basées sur l’assimilation de données, afin de réduire les erreurs et incertitudes des simulations de dispersion régionale de radionucléides. L’application concernera certains essais nucléaires dans l’atmosphère. Toutefois, les méthodes développées au cours de la thèse, telles que l’échantillonnage de Monte-Carlo par des chaînes de Markov, auront un domaine de mise en œuvre plus général. Après une revue bibliographique portant sur les essais nucléaires et les méthodes d’assimilation de données, des algorithmes originaux de modélisation inverse seront programmés, testés et appliqués à la simulation de la dispersion des rejets aériens issus d’essais. Ceci permettra d’estimer le rôle pressenti important de l’assimilation des mesures pour améliorer les simulations.
Etude du comportement d'un composite CMC en température par essais in situ en tomographie X
Le sujet proposé concerne l’étude du comportement mécanique d’un matériau composites à matrice céramique de type oxyde/oxyde en température (jusqu’à 1000°C). L’originalité du sujet est l’utilisation de la tomographie X in situ pour accéder d’une part à la déformation macroscopique des éprouvettes testées et d’autre part aux mécanismes d’endommagement à l’échelle microscopique qui caractérisent ce type de matériaux dit « endommageables ».
Cette technique a été développée à température ambiante lors d'une thèse précédente : il s'agit ici de l'appliquer en température et sur des sollicitations plus complexes (eg traction-torsion). Il s'agira également de proposer des développements au protocole d'analyse par
corrélation d'image volumique existant.
Potentiels réactifs par réseaux de neurones : optimisation de l'acquisition des données d'entraînement et application aux réactions mécanochimiques
La décomposition spontanée de molécules organiques lors de leur synthèse, manipulation, ou stockage, pose de sérieux problème de sécurité dans le cas de matériaux énergétiques. En plus de l'activation thermique, de récentes études montrent que les déformations intramoléculaires telles que celles induites par le passage d'une onde de choc influencent la réactivité chimique et peuvent modifier les mécanismes de décomposition. Les études à l'échelle moléculaire de ces phénomènes représentent un défi car elles nécessitent à la fois des calculs de chimie quantique pour décrire la formation et la rupture de liaison chimique, mais aussi des effets de phase condensée.
Pour remédier à cela, nous proposons le développement et l'application d'un potentiel réactif par réseaux de neurones (MLIP) pouvant combiner ces deux aspects. En particulier, nous visons à avancer significativement la méthodologie de construction de base de données contenant des structures moléculaires hors-équilibre, telles que celles pouvant être rencontrées lors de réactions chimiques complexes activées thermiquement ou mécaniquement. Ce potentiel réactif sera ensuite utilisé pour étudier la décomposition d'un matériaux modèle dans différentes conditions de pression et de température. Les outils et connaissances développés serviront à la fois aux études de mécanismes de décomposition de molécules énergétiques mais aussi à la communauté de mécanochimie.
Description microscopique des propriétés des fragments de fission évaluées à la scission
La fission est l’une des réactions nucléaires les plus difficiles à décrire, reflétant la diversité des aspects dynamiques du problème à N-corps. Au cours de ce processus, le noyau explore des états de déformations extrêmes aboutissant à la formation de deux fragments. Alors que la nombre de degrés de liberté (DLC) mis en jeu est extrêmement grand, l’approximation de champ moyen est un bon point de départ qui opère une réduction drastique des DLC, l’élongation et l’asymétrie étant incontournables. Cette réduction introduit des discontinuités dans la génération successive des états par lesquels le noyau transite, la continuité en énergie n’assurant pas la continuité des états issus d’un principe variationnel. Récemment, une nouvelle méthode basée sur des contraintes associées aux recouvrements de fonctions d’onde, a été mise en oeuvre afin d’assurer cette continuité jusqu’à la scission et au-delà (vallée de Coulomb). Cette continuité est capitale pour décrire la dynamique du processus.
L’objectif de la thèse que nous proposons est de réaliser pour la première fois la mise en oeuvre à deux dimensions de cette nouvelle approche afin de prendre en compte l’ensemble de la collectivité générée par les DLC d’élongation et d’asymétrie. Les développements théoriques et numériques s’inscrivent dans le cadre de la méthode de la coordonnée génératice dépendant du temps. Ce type d’approche contient une première étape statique qui consiste en la génération de surfaces d’énergie potentielle (PES) obtenues par des calculs Hartree-Fock-Bogoliubov sous contraintes et une seconde étape dynamique qui décrit la propagation dynamique d’un paquet d’onde sur ces surfaces via la résolution de l’équation de Schrödinger dépendant du temps. C’est à partir de cette deuxième étape que les observables sont en général extraites.
Dans le cadre de cette thèse, le doctorant devra:
- en première étape, construire des PES à deux dimensions continues pour l’état adiabatique et les premiers états excités. Cela mettra en oeuvre les trois algorithmes Link, drop et Deflation
- en deuxième étape, extraire des observables accessibles par ce type d’approches: les rendements, le bilan énergétique à la scission, la déformation des fragments, le nombre moyen de neutrons émis. Nous souhaitons en particulier étudier l’impact des excitations intrinsèques sur les observables de fission, qui se manifestent essentiellement dans la descente du point scelle vers la scission.
Enfin, ces résulats seront confrontés aux données expérimentales, dans des actinides et des pré-actinides d’intérêt. Notamment, les mesures récentes très précises obtenues par les expériences SOFIA pour des noyaux peu à très exotiques devraient contribuer à tester la précision et la prédictivité de nos approches, et à guider les futurs développements des approches à N-corps et de l’interaction nucléaire dans le cadre de la fission.
Modélisation des effets de compressibilité dans les approches RANS
Les effets de compressibilité sur les écoulements turbulents sont le plus souvent pris en compte au travers de l’hypothèse de Morkovin et l’introduction de la masse volumique dans les quantités transportées des équations du mouvement. En conséquence les modèles de turbulence, développés avec des hypothèses d’incompressibilité, sont utilisés tels quels, sans correction particulière. Pour des écoulements à grand nombre de Mach, et notamment les écoulements hypersoniques avec parois froides, des effets compressibles peuvent néanmoins se faire sentir sur la turbulence et il convient dès lors de disposer de corrections dans les modèles de turbulence servant à décrire le mouvement fluide.Jusqu’à récemment, les corrections usuellement utilisées, développées il y a plusieurs dizaines d’années, ne répondaient que partiellement aux problèmes constatés. Grâce à l’émergence de données DNS sur des écoulements à fort nombre de Mach, des travaux récents ont pu revisiter ces corrections dans le cadre d’un modèle RANS EVM (Eddy Viscosity Model) de type k-w. Ces nouvelles corrections correspondent en fait aux effets de quatre termes non modélisés dans les équations de transport des scalaires turbulents. En reprenant l’analyse des données DNS, complétées par de nouvelles, on se propose de reprendre la modélisation des effets de compressibilité en tentant de fermer les différents termes des équations. Ainsi, on envisage de développer des modèles RSM (Reynolds Stress Model) et EVM prenant en compte les différents effets compressibles.
Etude de la spéciation du plutonium (IV) et (VI) en milieu concentré en nitrate, effet des fluorures
La thèse proposée en collaboration entre le CEA de Valduc et celui de Marcoule a pour but d’étudier la spéciation du plutonium dans un milieu fortement concentré en nitrate (1M à 12M [HNO3]) et en présence de fluorure (0 à 0,1M [F-]). Une réflexion sera conduite sur la prise en compte de ce milieu très éloigné d’une solution idéale pour la détermination et/ou l’estimation des constantes de complexation et ainsi prendre en compte la force ionique du milieu.
Dans une première phase, il s’agira de mettre en œuvre la spectroscopie d’absorption dans le domaine du visible afin de réaliser une étude de spéciation du plutonium visant à dénombrer les différents complexes et construire des diagrammes de spéciation. Dans un second temps, ces espèces devront faire l’objet de caractérisations structurales permettant ainsi d’identifier les espèces et décrire la chimie du plutonium dans ces milieux. Pour cela, de multiples techniques d’analyses et de caractérisations devront être utilisées : EXAFS, spectrométrie de masse, RMN, DRX monocristal, spectroscopie vibrationnelle (IR et Raman) par exemple. Une approche par modélisation pourra également être utilisée.
1er année au CEA de Valduc. 2-3 ième années au CEA de Marcoule (ATALANTE).
Méthodes de caractérisation pour les cibles de fusion par confinement inertiel du Laser Mégajoule
Une des voies pour la fusion par confinement inertiel avec le Laser MégaJoule nécessite la mise en forme d’une couche sphérique de deutérium-tritium solide à température cryogénique. Une problématique est la caractérisation l’épaisseur de solide qui constitue une donnée primordiale pour l’expérience. Cette caractérisation sera réalisée de deux manières différentes : par ombroscopie optique et par rayons X par contraste de phase. Un procédé cryogénique (cryostat) fonctionnant à environ 20 kelvins, mis au point au CEA, permet d'ores et déjà de développer les futures cibles cryogéniques du LMJ et les moyens de caractérisation associés.
Les objectifs de la thèse sont la compréhension et la modélisation théorique et numérique des phénomènes physiques, la mise au point d'un banc de caractérisation adapté autour du cryostat et le traitement des signaux et des images pour la description tri-dimensionnelle de la couche de DT.
L’étudiant devra dans un premier temps s’approprier le fonctionnement du cryostat, de son système de commande et de son système de caractérisation sommaire actuel. Après une phase d'étude bibliographique, il devra étudier théoriquement et numériquement les phénomènes physiques en oeuvre afin de concevoir le système d'acquisition et un traitement d’image permettant la caractérisation tri-dimensionnelle d’une couche de DT solide à partir de clichés obtenus lors des expériences en deutérium sur le cryostat d’étude. Enfin, il pourra être demandé de coupler la commande et la caractérisation dans l’optique de l’optimisation du procédé. Pour chacune de ces problématiques, l'étudiant pourra s’appuyer sur des données bibliographiques, des résultats d'études passées ainsi que sur le savoir-faire des équipes du laboratoire d’accueil.
Conformément aux engagements pris par le CEA en faveur de l'intégration des personnes en situation de handicap, cet emploi est ouvert à tous et toutes.
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.
Maillage hexaédrique d’ordre élevé massivement parallèle
L’objectif du travail de thèse est de développer un algorithme de maillage hexaédrique de type Overlay-
Grid en contexte HPC, avec l’ambition d’obtenir des maillages hexaédriques d’ordre élevé et comportant
potentiellement plusieurs milliards de mailles. Nous considérons que nous devons dans ce travail satisfaire
les contraintes suivantes :/
— La solution proposée doit être efficiente en priorité dans un contexte de parallélisme hybride mêlant
mémoire distribuée (MPI) et mémoire partagée (threads). Cela nécessitera entre autres d’équilibrer
la charge de travail entre les différents processus (légers ou non) impliqués dans le calcul ;
— Les domaines géométriques à discrétiser pourront être aussi bien modélisés par des modèles de CAO,
ou des grilles de fraction de présence ;
— Le maillage obtenu comportera des mailles de différents ordres pour s’adapter au bord géométrique
du domaine spatial discrétisé.
Sous ces contraintes, la solution proposée sera analysée et comparée aux méthodes de l’état de l’art sur
différents aspects purement informatiques. La qualité des maillages obtenus sera confrontée à des besoins de
codes de simulation du CEA.