Validation d'une approche d'identification sans modèle "data-driven" pour la modélisation de la rupture ductile
Ces travaux s'intéressent au passage des modèles constitutifs traditionnels vers un cadre de Mécanique Computationnelle Basée sur des Données (Data-Driven Computational Mechanics, DDCM), discipline introduite il y a peu [1]. Au lieu de s'appuyer sur des équations constitutives complexes, cette approche utilise une base de données d'états contrainte-déformation pour modéliser le comportement des matériaux. L'algorithme minimise la distance entre les états mécaniques calculés et les entrées de la base de données, garantissant le respect des équilibres et des conditions de compatibilité. Ce nouveau paradigme vise à surmonter les incertitudes et les défis empiriques associés aux méthodes conventionnelles.
Outil corollaire de la DDCM, l'Identification Basée sur des Données (Data-Driven Identification, DDI) a émergé comme une méthode puissante pour identifier les réponses en contrainte des matériaux [2, 3]. Elle fonctionne avec peu d'hypothèses et sans modèles constitutifs, ce qui la rend particulièrement adaptée à un potentiel étalonnage de modèles complexes couramment utilisés dans l'industrie.
Les objectifs clés de cette recherche incluent l'adaptation des stratégies de la DDCM vers la DDI pour la plasticité [4] et la rupture [5] en perfectionnant l'existant, l'amélioration de la DDI pour le calcul haute performance, et l'évaluation des équations constitutives à partir d'une base de données uniquement basée sur la donnée expérimentale. La méthodologie proposée consiste à collecter des cartes de mesures de champ à partir d'un essai hétérogène, en utilisant une caméra à haute vitesse et la corrélation d'image numérique. Elle adaptera la DDCM aux scénarios de fracture ductile pour la DDI, mettra en œuvre un solveur DDI dans un cadre de calcul haute performance et réalisera une évaluation d'un modèle constitutif. L'accent sera mis sur l'acier 316L, un matériau largement utilisé dans l'industrie nucléaire.
Cette thèse représente une collaboration des laboratoires CEA et Centrale Nantes qui sont spécialisés en mécanique computationnelle, mathématiques appliquées, l'ingénierie logicielle et traitement de signal.
[1] Kirchdoerfer, Trenton, and Michael Ortiz. "Data-driven computational mechanics." Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 304 (2016): 81-101.
[2] Leygue, Adrien, et al. "Data-based derivation of material response." Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 331 (2018): 184-196.
[3] Dalémat, Marie, et al. "Measuring stress field without constitutive equation." Mechanics of Materials 136 (2019): 103087.
[4] Pham D. et al, Tangent space Data Driven framework for elasto-plastic material behaviors, Finite Elements in Analysis and Design, Volume 216, 2023, https://doi.org/10.1016/j.finel.2022.103895.
[5] P. Carrara, L. De Lorenzis, L. Stainier, M. Ortiz, Data-driven fracture mechanics, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Volume 372, 2020, https://doi.org/10.1016/j.cma.2020.113390.
Matériaux activés conducteurs pour la conversion énergétique et le stockage de l’énergie par effet capacitif
La production d’énergie à partir de sources renouvelables nécessite des systèmes de stockage efficaces pour pallier les déséquilibres entre offre et demande. Le projet propose de développer des super-condensateurs économiques en utilisant des électrodes composites issues de sous-produits industriels. Les liants minéraux, comme les géopolymères ou les Matériaux Alcali Activés (MAA), rendus conducteurs par dispersion de noir de carbone, sont étudiés pour des applications de stockage d'énergie ou de génération de chaleur. En se basant sur un brevet déposé récemment, nous nous proposons de réaliser une étude approfondie de ces composites conducteurs. Leurs performances seront évaluées en fonction des paramètres de formulation et de mise en forme. Il s’agira également de caractériser finement le réseau poreux et la dispersion des charges conductrices dans le matériau. Enfin, des essais de mise en forme du matériau seront menés et des super-condensateurs seront assemblés, permettant l’étude de l’impact du procédé (impression 3D) et des géométries.
Étude de la synthèse et des propriétés thermodynamiques des composés (An,Zr)O2 et (Zr,An)SiO4
Dans le cas d’un accident nucléaire grave, le combustible présent dans le cœur du réacteur peut entrer en fusion, entrainant la formation d’un composé désigné sous le nom de corium. Les cas d’accidents majeurs, ainsi que les expériences de formation de corium prototypiques, ont permis d’identifier la formation de composés clés que sont les oxydes mixtes (U,Zr)O2 formés par interaction du combustible avec la gaine en zircaloy et les silicates (Zr,U)SiO4 formés par interaction du corium avec des matériaux de structure. Dans le cas de combustibles MOx, (U,Pu)O2, la formation d’un corium pourrait conduire à la formation de phases équivalentes avec des teneurs significatives en plutonium. Cependant, les données thermodynamiques expérimentales sur de tels composés, qui permettraient d’évaluer leur comportement, sont à ce jour inexistantes. Dans ce cadre, la détermination des conditions de synthèse de tels composés avec un bon degré de pureté est essentielle à l’acquisition de telles données. La synthèse de solutions solides (Zr,Pu)O2 et (Zr,Pu)SiO4 constitue alors un premier pas essentiel avant d’étudier les systèmes (Zr,U,Pu)O2 et (Zr,U,Pu)SiO4.
L’objet de cette thèse sera de déterminer les conditions adaptées à la synthèse de ces composés, de réaliser un ensemble de caractérisation permettant d’évaluer leur pureté et d'établir leurs propriétés thermodynamiques. Pour cela des expériences seront conduites sur l’installation ATALANTE et une approche de caractérisation multi techniques sera choisie (DRX, spectroscopie Raman et infrarouge, MEB, caractérisation sur grand instruments…). Des essais de solubilité en milieu contrôlé seront ensuite mis en place et des mesures calorimétriques menées dans le cadre de collaborations internationales.
Mesure et évaluation de la dépendance énergétique des données de neutrons retardés du 239Pu
Cette proposition de thèse vise à mesurer et à caractériser l’émission des neutrons retardés émis par la fission du 239Pu. Cet actinide est impliqué dans divers concepts de réacteurs et la connaissance des données nucléaires qui le caractérisent reste actuellement insuffisante, en particulier en spectre rapide. Ce projet comprend une forte composante expérimentale, avec plusieurs campagnes de mesures sur l'accélérateur électrostatique MONNET au JRC Geel, auxquelles le doctorant prendra activement part.
La première étape de cette thèse consistera à intercomparer les méthodes de mesure du flux neutronique (dosimétrie, chambre à fission, détecteur long-counter et scintillateur à protons de recul) puis de les confronter à des calculs Monte-Carlo simulant l’émission des neutrons par interaction de particules chargées (D+T, D+D, p+T). Ce travail permettra d’assurer la bonne caractérisation du flux neutronique, une étape essentielle pour la suite du projet.
Dans un second temps, le doctorant devra reproduire des mesures de neutrons retardés du 238U, à l’aide d’une cible préexistante, dans une logique d’inter-comparaison par rapport à une campagne expérimentale menée en 2023.
Dans un troisième temps, le doctorant réalisera la mesure des rendements en neutrons retardés et des abondances par groupe du 239Pu, sur une gamme d’énergie de neutrons comprise entre 1 et 8 MeV. In fine, il produira une évaluation dépendante de l’énergie et l’intégrera dans un fichier ENDF pour être testée sur différents calculs de réacteur (beta-eff, transitoires de puissance, calibration d’efficacité d’absorbants…). Ces mesures complèteront une étude en spectre thermique menée à l’ILL en 2022 dans le but de former un modèle cohérent pour le 239Pu sur une gamme d’énergie de 0 à 8 MeV.
Ce projet contribuera au fichier de données nucléaires JEFF-4 de l’OCDE/AEN. Il répond à une forte demande de l’industrie nucléaire (soulignée par l’AIEA) pour améliorer la précision des mesures de multiplicité et des paramètres cinétiques des neutrons retardés, contribuant ainsi à une meilleure maîtrise de la sûreté des réacteurs nucléaires ainsi qu’à la réduction des marges de sûreté.
Impact de la pollution sur la dynamique des écoulements à bulles
En condition d'accident, si le coeur d'un réacteur nucléaire entre en ébullition, la pollution de l'eau qui le constitue peut avoir un rôle important sur les échanges de chaleur. L'enjeu de cette thèse est de comprendre cet impact et d'apprendre à le simuler, le but étant à terme de fournir des données de référence pour l'ébullition en conditions réacteur. Pour y parvenir, cette thèse s'attachera à simuler le transport d'une concentration de polluant au sein d'un écoulement à bulles. L'étudiant simulera la pollution des interfaces par des molécules tensio-actives, un cas particulier de polluant que l'on retrouve dans la plupart des systèmes hydrauliques. Cette étude sera réalisée à partir de Simulations Numériques Directes réalisées avec le code open-source TRUST/TrioCFD. L'étudiant sera accueilli au Laboratoire de Modélisation et de Simulation en mécanique des Fluides (LMSF) au sein d'un groupe de chercheurs et de nombreux doctorants. En collaboration avec le monde académique, l'étudiant publiera ses travaux et participera à des conférences internationales. Nous recherchons donc un étudiant ayant suivi une formation complète en mécanique des fluides numérique (M2 ou équivalent). Une connaissance du langage C++ moderne serait un avantage notable. La réalisation d'un stage en amont de la thèse est possible.
Caractérisation de la fuite gazeuse d’un contact rugueux au chargement et au délestage, application au cas des joints d’étanchéité métalliques
Dans de nombreuses infrastructures industrielles, des joints entièrement métalliques sont utilisés pour garantir une haute étanchéité des assemblages mécaniques en conditions thermodynamiques sévères. Leur performance est entièrement contrôlée par le comportement à l’interface de contact entre les surfaces rugueuses du joint et de la bride en vis-à-vis, assimilable à une fracture multi-échelles anisotrope. L'objectif de la thèse est alors de mieux comprendre et prédire les mécanismes d’obtention et de perte d'étanchéité des gaz en fracture rugueuse par une approche de modélisation couplée à de l’expérimentation.
Le travail se réalise dans la continuité d’études connexes déjà réalisées au laboratoire. Il se concentrera d’abord sur la mise au point d’un dispositif expérimental permettant la mise en contact de surfaces rugueuses métalliques avec un effort donné et la mesure conjointe de la fuite, au chargement du contact comme au délestage, afin de mettre en évidence et caractériser le phénomène d’hystérésis apporté par le déformation permanente de la matière au cours de la première compression. Les résultats obtenus seront comparés aux modèles numériques du laboratoire dans différentes configurations, afin de valider ces derniers. S’il apparaît que le calcul d’écoulement est bien maîtrisé, des écarts persistent dans le modèle de contact mécanique. Il devra alors être amélioré en termes de prise en compte des effets de plasticité propres au contact, de l’épaisseur finie du revêtement d’étanchéité et l’optimisation du temps de calcul. Les résultats seront ensuite transposés à un cas industriel de joint d’étanchéité HELICOFLEX, en développant une stratégie de modélisation à deux échelles, couplant l’information macroscopique à l’échelle du joint avec celle à l’échelle des rugosités.
Céramiques électrolytes pour sondes potentiométriques à oxygène dans des milieux corrosifs pour les réacteurs nucléaires avancés
Les électrolytes solides sont des matériaux qui jouent un rôle de plus en plus important dans les applications énergétiques (piles à combustibles, électrolyseur…). Parmi ceux-ci, les céramiques oxydes de structure fluorite occupent une place de choix. Convenablement dopées, elles permettent d’obtenir des conductivités électriques importantes et présentent des propriétés qui permettent de les utiliser à hautes températures ou dans les milieux extrêmes. Toutefois, ces propriétés d’usage sont très dépendantes de la microstructure de la céramique et donc de sa voie d’élaboration. Au CEA IRESNE, nous développons depuis plusieurs années des sondes potentiométriques utilisant ce type d’électrolyte pour mesurer l’oxygène (en impureté) dans les fluides caloporteurs des réacteurs avancés.
Dans ce travail de thèse, il est proposé d’étudier les liens entre la microstructure de deux matériaux fluorites, le dioxyde d’hafnium et le dioxyde de thorium dopés, et leur comportement dans des milieux agressifs, le sodium liquide ou les sels chlorures fondus. L’influence la taille de grains, la présence d’impuretés et la densité de ces oxydes qui seront élaborés par voie humide sur la cinétique de corrosion en milieu sodium permettra de déterminer les mécanismes de corrosion. Le but est d’optimiser la durée de vie en fonctionnement de ces céramiques pour réaliser des sondes potentiométriques à oxygène dans des systèmes énergétiques et de les utiliser dans des sondes potentiométriques pour étudier la chimie de ces milieux complexes.
Le travail de thèse de trois ans, proposé à un(e) étudiant(e) diplômé(e) en sciences des matériaux, se déroulera au CEA/IRESNE sur le site de Cadarache (Bouches du Rhône) en collaboration avec l’Institut de Chimie Séparative de Marcoule (Gard).
Stabilisation des phases secondaires dans les aciers ferritiques nanorenforcés : Approche par criblage à haut débit de compositions chimiques
Les aciers ferritiques renforcés par dispersion de nano-oxydes (Oxide Dispersion Strengthened, ODS) sont envisagés pour les réacteurs nucléaires de 4ème Génération et de fusion en raison de leurs excellentes propriétés thermomécaniques et de leur stabilité sous irradiation. Toutefois, ces aciers sont fragilisés par des phases secondaires résultant des interactions complexes entre les éléments d'alliage et les interstitiels (C, N, O) introduits lors de leur élaboration. Certains éléments d’alliage (tels que Nb, V, Zr, Hf) pourraient stabiliser ces phases indésirables et réduire leur effet néfaste sur le comportement mécanique des ODS. Cette thèse a pour objectif de développer une méthode de criblage à haut débit afin d'identifier les compositions d'alliages optimales, en associant des techniques rapides d’élaboration et de caractérisation. Le(la) doctorant(e) synthétisera différents aciers ODS par métallurgie des poudres et réalisera les caractérisations chimiques, microstructurales et mécaniques. Ces travaux permettront d'améliorer la compréhension des mécanismes de stabilisation des interstitiels et de proposer des méthodologies efficaces pour caractériser de nouveaux matériaux. Le(la) doctorant(e) bénéficiera d'une formation approfondie en métallurgie et en traitement de données, ouvrant des perspectives dans l'industrie, les start-ups du nucléaire et la recherche.
Etude et caractérisation de l’ébullition nucléée en conditions réacteur
Dans le cadre de transition énergétique et de la place du nucléaire dans le mix énergétique, la maîtrise de la sûreté et l’optimisation de la performance des réacteurs représentent des domaines de recherche impératifs et à grande valeur ajoutée. Dans ce contexte, l’ébullition à hautes pression et température constitue un point de vigilance clé pour les réacteurs à eau largement déployés en France et dans le monde.
Les nombreux travaux sur ce sujet réalisés par le passé montrent leur limitation en terme de représentativité et présentent certaines lacunes (e.g. l’évolution de topologie de l’écoulement à haute pression). Le sujet proposé concerne donc la caractérisation de l'ébullition nucléée pour une large gamme de conditions de pression et de température, et plus particulièrement l'étude du couplage entre la thermique de la paroi et l'écoulement (tailles de bulles, fréquence de détachement, taux de vide local, …). Ce travail permettra en outre de fournir des données relatives aux modèles d'ébullition susceptibles d'être utilisés dans les outils de calcul numérique de type CFD. Une visualisation directe de l'écoulement à l'aide de hublots (procédé mis en œuvre avec succès par le passé), couplée à l'utilisation d'outils stéréologiques (en collaboration avec le LRVE au CEA Marcoule) et associée à une mesure de température de la paroi, devrait permettre d'atteindre les objectifs fixés. Ces mesures réalisées en conditions représentatives du cas réacteur (conditions thermohydrauliques, fluide réel, surface chauffante représentative) font l’originalité de cette étude par rapport aux travaux existant.
Après une première analyse critique de la bibliographie, le doctorant concevra et testera les dispositifs expérimentaux avant de les mettre en œuvre au travers de campagnes d’essais sur une installation dédiée. Les résultats collectés seront analysés, interprétés, confrontés aux modèles existant et pourront, le cas échéant, conduire à la construction de nouveaux modèles.
Cette thèse se déroulera sur la plateforme expérimentale POSEIDON, dédiée à l’étude des écoulements, et permettra au doctorant d’aborder toutes les phases d’un projet de recherche, depuis la conception de dispositifs expérimentaux jusqu’à l’interprétation des résultats obtenus.
Purification des sels chlorures en vue de leur utilisation dans des systèmes de production d’énergie : développement de méthodes, compréhension et optimisation
Dans le cadre de la transition énergétique, les sels chlorures fondus reçoivent un intérêt croissant comme fluide caloporteur et combustible dans des systèmes de production d’énergie, tels que le solaire à concentration ou le nucléaire de IVème génération avec les réacteurs à sels fondus (‘molten salt reactors’ ou MSR). Toutefois, leur utilisation est pour l’instant limitée par les fortes vitesses de corrosion des matériaux de structure utilisés, corrosion qui semble en grande partie liée à la pureté du sel utilisé. En particulier, la maîtrise de la teneur en oxygène semble primordiale pour limiter la dissolution de nombreux éléments. Cependant, certains sels d’intérêt pour l’industrie nucléaire (ternaire NaCl-MgCl2-PuCl3 et son simulant NaCl-MgCl2-CeCl3) se trouvent être particulièrement difficile à purifier, du fait de leur forte affinité avec l’eau.
Il est donc nécessaire de comprendre la nature et la stabilité des espèces formées dans un système pollué (chlorures, oxydes, oxy-chlorures, hydroxy-chlorures) et de proposer des méthodes de purification des sels adaptées à un système industriel. Le candidat à la thèse aura ainsi pour objectifs de purifier et caractériser des mélanges de sels (binaires, ternaires et éventuellement quaternaires) à partir des méthodes disponibles dans les différents laboratoires impliqués par ce travail. La purification pourra avoir lieu à partir d’électrolyse, de précipitation, de filtration, de bullage de gaz chlorant ; la caractérisation pourra être réalisée par des méthodes électrochimiques, des sondes potentiométriques à oxygène, par spectroscopie Raman à haute température sous atmosphère inerte, ou encore par analyses chimiques et matériaux classiques.
L’étudiant réalisera son doctorat à l’institut sur les énergies IRESNE situé au CEA Cadarache (Bouches-du-rhône), au sein d’un laboratoire (LMCT) où seront installés la boîte à gants de purification et les moyens de mesure. Le LMCT a une grande expérience de la chimie des caloporteurs avancés (en particulier le sodium).
Des collaborations seront réalisées avec d’autres laboratoires du CEA, en particulier à Marcoule, et avec le LGC Toulouse disposant d’une expérience de plus de 20 ans dans les sels fondus (co-direction de thèse).
Le profil recherché est un ingénieur ou master recherche en électrochimie ou science des matériaux.