De l’Angström au micron : un modèle d’évolution microstructurale du combustible nucléaire dont les paramètres sont calculés à l’échelle atomique
La maîtrise du comportement des gaz de fission dans le combustible nucléaire (oxyde d’uranium) est un enjeu industriel important puisque leur relâchement ou leur précipitation limite l'utilisation du combustible à forts taux de combustion. Or ces phénomènes sont fortement influencés par l’évolution microstructurale du matériau due aux défauts générés par l’irradiation (création de défauts ponctuels, agrégations de ceux-ci en cavités et bulles de gaz ou en boucles ou lignes de dislocation…). La dynamique d’amas (DA) est un modèle de type cinétique chimique permettant de décrire la nucléation/croissance des amas de défauts, leur contenu en gaz et le relâchement de celui-ci. Ce modèle est paramétré à partir de données de base calculées à diverses échelles (ab initio, potentiels empiriques, Monte Carlo). Ce modèle rend déjà compte d’expériences de recuit d’UO2 implanté en atomes de gaz de fission et a confirmé le fort impact des défauts d’irradiation sur le relâchement gazeux. L’objectif de la thèse est d’une part d’améliorer le modèle et ses paramètres d’entrée, notamment le taux de création de défauts d’irradiation, et d’autre part d’étendre son domaine de validation en le confrontant à de nombreuses expériences issues de thèses récemment soutenues au département (mesure de relâchement gazeux par recuit d’échantillons implantés via un accélérateur d’ions, observation de cavités, bulles de gaz et boucles de dislocation par microscopie électronique à transmission sur des échantillons implantés ou irradiés en pile). Vous serez donc amené à faire évoluer certains des sous-modèles constitutifs de la DA pour interpréter et simuler l’ensemble des expériences disponibles. En parallèle cela permettra d’affiner la paramétrisation du modèle.
Ce sujet de modélisation présente l’intérêt pour d’articuler à une dimension “théorique” (amélioration du modèle), ainsi que de physique numérique (évaluation par en Dynamique Moléculaire des certaines grandeurs thermo-cinétiques des défauts) une dimension “expérimentale” (interprétation d’expériences déjà réalisées, voire conception et suivi de nouvelles expériences). Ainsi, l’approche d’un ensemble varié de techniques d’observation et de mesure vous ouvriront le monde de la physique expérimentale et complèteront votre profil. Vous aurez également à animer des collaborations dans le but d’analyser les données expérimentales, de développer l’outil de calcul ou de spécifier ou réaliser des calculs atomistiques complémentaires. Vous serez accueilli au sein du Laboratoire de Modélisation du Comportement des Combustibles (Institut de recherche sur les systèmes nucléaires pour la production d'énergie bas carbone IRESNE , CEA Cadarache) où vous pourrez bénéficier d’un environnement ouvert et riche en collaborations académiques.
Ce travail offre une position centrale et un point de vue synthétique sur la physique du combustible en irradiation. Il vous permettra de contribuer au développement de la physique numérique appliquée à une démarche multiéchelle de modélisation. Vous découvrirez en quoi des outils de simulation basés sur les données microscopiques les plus fondamentales obtenues par le calcul atomistique permettent de traiter et expliquer des situations pratiques.
Pour aller plus loin :
Skorek (2013). Étude par Dynamique d’Amas de l’influence des défauts d’irradiation sur la migration des gaz de fission dans le dioxyde d’uranium. Univ. Aix-Marseille. http://www.theses.fr/2013AIXM4376
Bertolus et al. (2015). Linking atomic and mesoscopic scales for the modelling of the transport properties of uranium dioxide under irradiation. Journal of Nuclear Materials, 462, 475–495.
Activation thermique du glissement des dislocations vis dans les métaux de symétrie cubique centrée
L'activation thermique du glissement des dislocations joue un rôle essentiel dans la déformation plastique des métaux de structures et donc dans le vieillissement de ceux-ci. Le cas des dislocations vis dans les métaux de symétrie cubique centrée constitue un archétype pour lequel il existe déjà de nombreuses données expérimentales auxquelles nous pouvons confronter les prédictions théoriques issues de la théorie statistique de Vineyard [1,2]. Cette théorie est essentielle car elle permet d'établir une transition d'échelle depuis les calculs atomistiques les plus fins [3] jusqu'aux échelles macroscopiques des tests de déformation.
Dans le cadre de cette proposition de thèse nous souhaitons tester à l'échelle atomique la théorie statistique de Vineyard en comparant les prédictions de la théorie avec des simulations de dynamique moléculaire [4]. Nos calculs préliminaires ont montré un désaccord notablement important tandis que la même comparaison pour la migration de défauts ponctuels tels que les lacunes ou les interstitiels montrait un bon accord. Si ces résultats sont confirmés il nous faudra établir une correction et mesurer l'impact de cette correction sur les prédictions théoriques associées aux essais de traction concernant les dislocations vis dans les métaux de symétrie cubique centrée. Nous accorderons une attention particulière au fer-alpha pour lequel nous disposons de nombreuses données expérimentales [5].
[1] Vineyard G.H., J. Phys. Chem. Solids 3, 121 (1957).
[2] Proville L., Rodney D., Marinica M-C., Nature Mater. 11, 845 (2012).
[3] Proville L., Ventelon L., Rodney D., Phys. Rev. B 87, 144106 (2013).
[4] Proville L., Choudhury A., Nature Mater. 23, 47 (2024).
[5] Caillard D., Acta Mater. 58, 3504 (2010).
Méthodes de synthèse de turbulence des milieux poreux à partir de simulations fines pour la modélisation multi-échelle des cœurs nucléaires
La production d'électricité par l'énergie nucléaire joue un rôle crucial dans la transition énergétique, grâce à son faible impact carbone. Pour améliorer continuellement la sécurité et les performances, il est indispensable de développer de nouvelles connaissances et outils.
Le cœur d'un réacteur nucléaire est constitué de milliers de crayons combustibles traversés par un écoulement turbulent. Ce flux peut provoquer des vibrations, pouvant entrainer une usure. Deux échelles d'écoulement sont identifiées : une échelle locale, où le fluide interagit avec les crayons, et une échelle globale, représentant la distribution de l’écoulement dans le cœur. L'échelle locale nécessite des simulations CFD et un couplage fluide-structure, tandis que l'échelle globale peut être modélisée par des approches moyennes, comme les simulations de milieux poreux.
Les simulations couplées d'interaction fluide-structure (FSI) à l'échelle CFD sont limitées à de petits domaines. Pour surmonter cette limitation, des approches multi-échelles sont requises, combinant simulations de milieu poreux à grande échelle et simulations CFD détaillées à petite échelle. L'objectif de la thèse est de développer des méthodes pour synthétiser la turbulence à partir des résultats des simulations de milieu poreux, afin d'améliorer les conditions aux limites pour les simulations CFD. Le candidat étudiera d'abord comment les modèles de turbulence existants peuvent fournir des détails sur le flux turbulent à l'échelle du composant, puis comment synthétiser la turbulence pour les simulations CFD locales.
Ce projet de thèse fait l’objet d’une collaboration entre l'institut IRESNE (CEA) et l’ASNR. La thèse sera réalisée sur le site de Cadarache (principalement à l'ASNR). Le financement sera assuré par un MSCA Doctoral Network. Le doctorant sera intégré dans un réseau de 17 doctorants, pour être éligible le candidat devra avoir résider au maximum 12 mois sur les 36 derniers en France.
Fusion de capteurs multi-physiques et Physics-Informed Deep Learning pour le monitoring prédictif de mécanismes de dégradations batterie Li-Ion et Na-Ion
Contexte :
Les batteries lithium-ion et sodium-ion de génération futures sont essentielles pour la transition énergétique et l'électrification des transports. Garantir en premier lieu la longévité, les performances mais aussi la sécurité des batteries nécessite une compréhension approfondie des mécanismes de dégradation à différentes échelles.
Objectif de Recherche :
Développer des méthodologies innovantes de diagnostic et de pronostic des mécanismes de dégradations batteries en exploitant la fusion de données multi-capteurs et des approches de type Physics-Informed Deep Learning (PIML), combinant des modèles théoriques physiques de batteries avec des algorithmes d'apprentissage profond.
Approche Scientifique :
Établir les corrélations entre les mesures multi-physiques (capteurs externes sur packaging de cellules, et capteurs internes à base de fibres optique) et les mécanismes de dégradation des batteries
Explorer des approches hybrides PIML pour la fusion de données multi-physiques
Développer des architectures d'apprentissage intégrant les contraintes physiques tout en traitant des données hétérogènes
Étendre les méthodologies aux technologies émergentes de batteries sodium-ion
Méthodologie :
La recherche utilisera une base de données de cellules multi-instrumentées (capteurs acoustiques, électriques, thermiques, mécaniques, optiques) , analysant les signatures et modalités de chaque de mesures et développant des algorithmes PIML innovants qui optimisent la fusion de données multi-capteurs.
Résultats Attendus :
La thèse vise à fournir des recommandations précieuses pour l'instrumentation des systèmes de batteries, à développer des algorithmes de diagnostic et pronostic de trajectoires de vieillissement avancés et à contribuer significativement à l'amélioration de la fiabilité et de la durabilité des systèmes de stockage électrochimique, avec des impacts potentiels académiques et industriels.
Développement des accumulateurs zinc sodium-ion aqueux pour stockage stationnaire des énergies renouvelables
Dans un contexte mondial de déploiement massif d’énergies renouvelables, la production et son stockage deviennent de plus en plus indissociables. Les systèmes de stockage électrochimique sous forme de batteries (BESS) suivent actuellement une forte croissance sur le marché. Ces systèmes diffèrent radicalement de la mobilité électrique par leur différences concernant leurs spécificités (coût, sécurité, durabilité). Face aux limites des batteries Li-ion (risques d'incendie, criticité du lithium et du cobalt, coûts de production), la technologie aqueuse zinc / sodium-ion présente une alternative de rupture. Basée sur des matériaux abondants, non toxiques et intrinsèquement sûrs, elle offre un potentiel unique pour le stockage de longue durée à faible impact environnemental.
La filière des accumulateurs au zinc se heurte à des verrous scientifiques limitants la réversibilité et la durée de vie en cyclage, notamment la formation de dendrites de zinc et l'instabilité de la cathode. Ce projet de thèse propose de surmonter ces obstacles par une stratégie de recherche et développement des électrodes innovantes basées sur la transformation réversible de zinc en phosphate de zinc en milieu de phosphate de sodium aqueux. Ce choix d’électrolyte permet l’utilisation des électrodes positives de type sodium-ion ainsi que des séparateurs « AGM » (absorptive glass mat) développés notamment pour les batteries Plomb.
Les travaux de la thèse se focalisèrent sur des études électrochimiques expérimentales combinées à une modélisation multiphysique du système à l’échelle « cellule », prenant en compte la thermodynamique et la cinétique des réactions incluses. Cette approche permettra d'explorer rapidement un vaste espace de conception pour identifier les conditions permettant une mise en échelle et un transfert vers l’industrie répondant aux impératifs de souveraineté énergétique et d'économie circulaire.
SCHEMA AUX CARACTERISTIQUES POUR LE TRANSPORT DES NEUTRONS EN 3D COMBINANT LA METHODE LINEAIRE SURFACIQUE ET L’EXPANSION POLYNOMIALE AXIALE ET ACCELERE PAR LA PROGRAMMATION GPU
Cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement des techniques de calcul numérique pour la physique des réacteurs. Plus précisément, elle porte sur la mise en œuvre de méthodes intégrant des développements spatiaux d'ordre supérieur pour le flux et les sections efficaces neutroniques. L'objectif principal est d'accélérer les algorithmes existants et ceux qui seront développés grâce à la programmation sur GPU. En exploitant la puissance de calcul des GPU, cette recherche vise à améliorer l'efficacité et la précision des simulations en physique des réacteurs, contribuant ainsi au domaine plus vaste du génie nucléaire et de la sûreté nucléaire.
Méthodes d’analyse innovantes des étapes critiques et des mécanismes limitants pour la formation des batteries
Le secteur de la fabrication des batteries en Europe connait aujourd'hui une forte expansion. La formation électrique, étape qui suit l'assemblage de la batterie jusqu'à sa livraison est peu étudiée dans les milieux universitaires alors qu’elle conditionne les performances des batteries (durée de vie, résistance interne, rebuts…). Pourtant c'est une étape essentielle du procédé qui est à la fois longue et couteuse (>30 % du coût de fabrication des cellules, 25 % du coût des équipements d'une Gigafactory) et qui gagnerait grandement à être optimisé.
Nous proposons d'étudier dans cette thèse la formation des batteries par des techniques complémentaires innovantes operando et non intrusives. L’objectif est d'identifier les mécanismes limitants de l’étape d’imprégnation des porosités des électrodes par l’électrolyte et de l’étape de 1ère charge de la batterie. Le candidat sera chargé de mettre en œuvre des méthodes expérimentales pour le suivi et l’étude de ces mécanismes. Il mettra en place une méthodologie et un protocole d’étude, combinant mesures électrochimiques et caractérisations physiques en fonctionnement et non intrusives. Il étudiera et optimisera le temps de formation et le contrôle qualité durant ses étapes.
Simulation des gels d’altération des verres nucléaires à l’échelle mésoscopique à l’aide d’un système quaternaire.
Ce sujet s’inscrit dans le cadre des études réalisées sur le comportement à long terme des verres nucléaires immobilisant des déchets radioactifs et potentiellement destinés à être placés en stockage géologique. L’enjeu réside en la compréhension des mécanismes d’altération et de formation d'un gel (couche passivante pouvant ralentir la vitesse d’altération du verre) par l’eau et à la prédiction des cinétiques de relâchement des radionucléides sur le long terme.
L’approche de simulation proposée vise à prédire à l’échelle mésoscopique le processus de maturation du gel formé lors de l’altération du verre par l’eau à l'aide d'un "modèle à champs de phases" ternaire composé du silicium, du bore et de l’eau (lixiviant) auquel il conviendra d'ajouter l'alluminium.
Le modèle mathématique quaternaire sous-jacent est composé d’un ensemble d’Equations aux Dérivées Partielles non-linéaires couplées. Elles sont basées sur les équations de Allen-Cahn et du transport. La résolution numérique des équations associées est réalisée par méthode de Boltzmann sur réseaux (Lattice Boltzmann Method – LBM) programmée en C++ dans le code de calcul massivementparallèle LBM_saclay qui s’exécute sur plusieurs architectures HPC, aussi bien muti-CPUs que multi-GPUs.
Le sujet proposé nécessite de bonnes bases en mathématiques appliquées et en programmation afin de développer les algorithmes nécessaires à la bonne résolution du nouveau système d'équations fortement couplées.
Approche thermodynamique et expérimentale de la réactivité dans les systèmes multiconstitués Silicium-Métal-Carbone pour le brasage des céramiques
Le développement d'assemblages de matériaux à base de céramique joue un rôle fondamental pour l'innovation technologique dans de nombreux domaines d'ingénierie. Le choix des matériaux et du procédé d'assemblage doit permettre d'assurer un ensemble fonctionnel, fiable et durable, dont les propriétés répondent au cahier des charges de l'application.
La thèse s'inscrit dans le cadre du développement d'alliages de brasage optimisés pour l'assemblage de céramiques (prioritairement le carbure de silicium) envisagées pour diverses applications en environnements sévères dans le domaine de l'énergie en particulier. En effet, la conception de ces matériaux nécessite une bonne connaissance de la réactivité à l'interface alliage liquide / céramique. Dans ce contexte, la thèse contribuera au développement d'une approche thermodynamique et expérimentale afin de prédire et de comprendre la réactivité dans les systèmes multi-constitués Si-Métal-Carbone. Ce travail comprend une étude du mouillage et de la réactivité interfaciale d’alliages sélectionnés (expériences de mouillage et brasage, caractérisation fine des interfaces par différentes techniques telles que MEB-FEG, MET, diffraction de rayons X, XPS) avec l’appui de la modélisation thermodynamique à l’aide de la méthode CALPHAD. Ce travail à fort caractère expérimental sera réalisé dans un environnement dynamique et collaboratif.
Méthode de sensibilité adjointe appliquée aux modélisations industrielles des cœurs de reacteurs nucleaires
L’objectif de cette thèse est de poser les bases pour l’application de la méthode de sensibilité adjointe aux modélisations industrielles des cœurs de réacteur nucléaire à combustible solide. Le sujet principal sera la prise en compte du couplage entre neutronique, thermohydraulique, thermique crayon et évolution.