Rupture ductile sous chargement oligocyclique des matériaux irradiés : Caractérisation expérimentale, modélisation et simulation numérique
Les alliages métalliques utilisés dans les applications industrielles ont le plus souvent un mode de rupture ductile par germination, croissance et coalescence de cavités internes. Les cavités apparaissent du fait de la rupture d’inclusions, croissent sous l’effet du chargement mécanique jusqu’à se rejoindre, conduisant à la ruine de la structure. La résistance à l’amorçage et à la propagation de fissure résulte de ce mécanisme. La prédiction de la ténacité passe donc par la
modélisation de la plasticité des matériaux poreux. Le comportement de matériaux poreux a été très étudié tant d’un point de vue expérimental que théorique et numérique dans le cas de chargement mécanique monotone en grandes déformations, conduisant à des lois de comportement permettant de simuler la rupture ductile de structure. Le cas des chargements mécaniques cycliques à faible nombre de cycles et / ou impliquant de faibles niveaux de déformations a comparativement été peu étudié, alors même que ce type de chargement est d’intérêt dans les applications industrielles, par exemple dans le cas de séisme. Dans cette thèse, l’effet de chargements oligocycliques sur les propriétés de rupture ductile sera investigué de manière systématique d’un point de vue expérimental, théorique et numérique. Des campagnes d’essais seront réalisées sur différents matériaux utilisés dans les applications nucléaires et pour différentes conditions de sollicitations mécaniques afin de quantifier l’effet des chargements oligocycliques sur la déformation à rupture et
la ténacité. En parallèle, des simulations numériques seront effectuées afin d’obtenir une base de données étendue concernant le comportement plastique de matériaux poreux sous chargement cyclique en s’intéressant en particulier aux effets de l’élasticité, de la porosité, du chargement mécanique et de distribution spatiale de cavités. Ces simulations numériques seront utilisées pour valider des modèles analytiques développés au cours de la thèse visant à prédire l’évolution de la porosité et la contrainte d’écoulement. Enfin, les modèles seront implémentés sous la forme de lois
de comportement et utilisés pour simuler les essais expérimentaux.
Effet de la porosité sur la conductivité thermique du matériau combustible MOX (U,Pu)O2
La performance des combustibles nucléaires dépend fortement de leur comportement thermomécanique, et donc de leur conductivité thermique. Cette propriété varie avec la microstructure du matériau qui peut présenter des hauts niveaux de porosité, notamment dans le cas des oxydes mixtes d’uranium et de plutonium utilisés dans les réacteurs rapides.
Le but de cette thèse est d’évaluer l’effet de la quantité et de la forme des pores sur la conductivité thermique de ces matériaux fissiles et de proposer une loi de conductivité thermique pour les MOX prenant en compte la quantité, la taille, la forme et l’interconnectivité de leur porosité. Pour ce faire, des mesures récentes de propriétés thermiques sont en cours de réalisation par des techniques performantes de chauffage laser permettant d’appréhender le comportement du combustible dans des domaines de température peu explorés à ce jour, à savoir les très hautes températures (typiquement jusqu’à 2800°C), dans le centre de recherche européen (JRC) à Karlsruhe. Ces mesures sont réalisées sur des matériaux présentant des microstructures différentes et seront comparés à des résultats obtenus par simulation à cette échelle (analyse d'image, passage 2D/3D, TM-FFT) [1].
La thèse se déroulera sur le centre du CEA Cadarache au sein de l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE) dans le Laboratoire d'Expertise et de Validation des Applications multi-filières (LEVA). Le LEVA fait partit du Service d'Etude et de Simulation du Combustible (SESC) et a pour mission de :
- Répondre aux besoins des partenaires industriels par des études ;
- Réaliser la validation des Outils de Calculs Scientifiques (OCS) de la plateforme PLEIADES ;
- Approfondir la compréhension du comportement combustible ;
- Gérer les bases de données combustibles.
Enfin, la collaboration avec JRC Karlsruhe sera l'opportunité de travailler dans un cadre international qui est une des forces du LEVA.
Ce travail permettra la valorisation des travaux de recherche lors de conférences et de publications dans des revues à comités de lecture. De plus, l'étudiant en thèse aura l'occasion d'acquérir ou de conforter certaines compétences techniques (interprétations de données expérimentales, modélisation) applicables à différents domaines de la science des matériaux et de l’ingénieur.
[1] Ce travail s'inscrit naturellement dans les perspectives évoquées dans la thèse "Thermal conductivity of mixed oxide fuel (MOX) : effect of temperature, elementary chemical composition, microstructure and burn-up in reactor" - TEL - Thèses en ligne.
Modélisation de frottement interfacial en géométrie grappe dans le code de thermo hydraulique système CATHARE
Le code système de thermo-hydraulique CATHARE, développé au CEA en partenariat avec EDF, Framatome et l’ASNR, est un code permettant de simuler les comportements normaux et accidentels du circuit hydraulique d’un Réacteur à Eau Pressurisée (REP). Il est aujourd’hui une référence en France en matière de simulation des transitoires dans les réacteurs nucléaires, et est notamment un composant central dans les rapports de sûreté produits par EDF et Framatome.
Des études précédentes montrent le besoin d’améliorer la validité du modèle de frottement interfacial en coeur à basse pression ou à grand diamètre hydraulique. De plus, le modèle actuel de frottement interfacial en coeur repose sur de nombreuses simplifications et sur une calibration effectuée sur un nombre restreint de données expérimentales pour des écoulements eau-vapeur à haute température. L’émergence de nouvelles modélisations dans la littérature et la disponibilité de nouvelles données expérimentales pourraient permettre une complexification du modèle et une calibration sur une plus grande base de données.
Cette thèse a donc pour objectif d’améliorer le modèle de frottement interfacial en géométrie grappe en investiguant les phénomènes physiques associés à cette problématique. Ce travail permettra d’implémenter à la suite de la thèse un modèle plus complet dans le code CATHARE et donc d’élargir les conditions de validité du code à de nouvelles applications.
Etude de l'effet du dopage sur la durée de vie de matériaux d'électrode pour batteries Li-ion avancées
Le développement de nouveaux matériaux d’électrodes pour les batteries Li-ion est principalement orientée vers 2 objectifs souvent contradictoires : augmenter l’énergie embarquée, et donc l’autonomie des véhicules, et baisser le coût des batteries. Les matériaux de structure NaCl désordonnés, tels que Li2MnO2F, grâce à la combinaison de leur composition riche en Mn peu couteux et d’une forte capacité de stockage des ions Li, permet de concilier ses deux aspects. Malheureusement, ces matériaux subissent une dégradation rapide en cyclage qui limite leur durée de vie. Il est donc nécessaire d’agir sur cette dégradation pour rendre ces matériaux compétitifs. Récemment, notre groupe a développé une stratégie de stabilisation du matériau par modification de leur structure qui fait l’objet d’un brevet. Le but de cette thèse est d’approfondir cette stratégie en améliorant la compréhension du mécanisme de stabilisation en variant ses paramètres. Le doctorant aura accès à tous les outils de synthèse pour réaliser ces nouveaux matériaux ainsi qu'à ceux de caractérisation électrochimiques de notre plateforme batterie pour évaluer leur performances. Il sera également amené à effectuer des caractérisations structurales poussées, notamment via différentes méthodes de diffraction des rayons X (y compris au synchrotron).
Etude expérimentale du comportement des gaz de fission dans les combustibles des Réacteurs à Neutrons Rapides irradiés à basse puissance
Avec l’émergence des nouvelles start-ups dans le domaine du nucléaire, il est primordial d’étendre la base de validation des codes de performances du combustible des Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR) à des régimes de fonctionnement à plus faible puissance linéique, un domaine encore peu exploré.
Compte tenu des températures plus faibles atteintes dans le combustible, la microstructure induite par l’irradiation est différente de ce qui est classiquement observée à plus forte puissance linéique. Ces plus faibles températures de fonctionnement entraînent aussi une diminution du relâchement des gaz de fission (RGF) pouvant induire un gonflement gazeux significatif du combustible. De manière concomitante, les faibles températures de fonctionnement peuvent aussi entraîner une augmentation de la densité des défauts générés (dislocations) lors de l’irradiation (efficacité de recuit des défauts plus faible) impliquant une augmentation indirecte du gonflement du combustible.
Il est donc important de déterminer la densité des dislocations dans le combustible car leur rôle ambivalent montre qu’elles peuvent ralentir le relâchement des gaz par piégeage et favoriser leur stockage dans des bulles en position intragranulaire, tout en pouvant aussi faciliter leur migration si elles forment un réseau connecté.
Afin d’améliorer la compréhension des phénomènes mis en jeu et les modèles de gonflement du combustible sous irradiation, il est essentiel de disposer de résultats expérimentaux comme les densités et les tailles de bulles de GF et les densités de dislocations dans ces régimes de fonctionnement.
Le laboratoire de caractérisation et d‘études des propriétés des combustibles au sein de Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE) auquel sera rattaché le doctorant est doté d’équipements de pointe dédiés aux matériaux irradiés (MET, MEB-FIB, SIMS, EPMA, DRX)lui permettant d’acquérir des compétences expérimentales pointues sur du combustible irradié. Ce travail sera réalisé en étroite collaboration avec les équipes en charge du développement des outils de calcul scientifique multiphysique de la plateforme logicielle PLEIADES.Les compétences acquises pendant toute la durée de la thèse pourront être valorisées dans un futur parcours professionnel aussi bien académique qu’industriel. Le doctorant pourra également valoriser son travail auprès de la communauté académique internationale et du monde industriel via des présentations orales et des articles à comité de lecture.
Modélisation et études dynamiques d’un système électronucléaire spatial pour la propulsion
La technologie nucléaire est clef pour permettre l’installation de bases scientifiques sur la Lune ou sur Mars, ou encore l’exploration de l’espace lointain. Son utilisation peut prendre plusieurs formes (par ex. Radioisotope Thermoelectric Generators, Nuclear Thermal Propulsion) et ce sujet de thèse s’intéresse à la Nuclear Electric Propulsion (NEP) : la chaleur produite par un réacteur nucléaire est convertie en électricité, afin d’alimenter un moteur de propulsion ionique. Différents concepts ont été étudiés par le passé (PROMETHEUS, MEGAHIT et DEMOCRITOS, typiquement pour des missions d’exploration des satellites de Jupiter) tandis qu’actuellement des études de conception sont en cours au CEA pour un système électronucléaire NEP de 100 kWe.
Le système d’intérêt combine plusieurs choix de conception très spécifiques : combustible en nitrure d’uranium, refroidissement direct au gaz (mélange hélium-xénon) et système de conversion d’énergie basé sur un cycle de Brayton, ou encore évacuation de la chaleur fatale par rayonnement thermique. Ces choix répondent à des exigences de masse et d’encombrement à minimiser, et de performance et de fiabilité à assurer pour la durée de la mission scientifique. L’analyse du comportement dynamique du système électronucléaire est donc cruciale pour la réussite du projet. Toutefois, la question de la modélisation transitoire d’un système électronucléaire spatial complet est très peu traitée dans l’état de l’art, et ce particulièrement pour la NEP.
Les objectifs de la thèse sont donc de rechercher et de développer des modélisations physiques adaptées à un système NEP, de proposer une démarche pour leur validation, et enfin de les mettre en œuvre pour analyser le comportement dynamique du réacteur et contribuer à l’amélioration de sa conception. On étudiera notamment plusieurs phases d’une mission : le démarrage du réacteur dans l’espace, les transitoires de variation de puissance fournie au moteur de propulsion ionique, la réponse du réacteur en cas d’avarie, et son arrêt éventuel avec la problématique d’évacuation sûre de la puissance résiduelle.
La thèse sera réalisée à l'Institut IRESNE (CEA Cadarache), dans un environnement scientifique stimulant, et intégrée dans une équipe de conception de réacteurs nucléaires innovants. Le CNES sera aussi impliqué dans le suivi des travaux, notamment pour définir les caractéristiques du moteur de propulsion ionique et les missions d’exploration d’intérêt pour le système électronucléaire. Le sujet de thèse, combinant modélisation, mécanique des fluides, thermodynamique, neutronique et mécanique spatiale, se prêtera à la communication scientifique et permettra de développer des compétences clefs pour une carrière académique ou dans l’industrie.
Extraction directe du lithium contenu dans les saumures par adsorption
Le développement de véhicules électriques offre une solution de transport plus respectueuse pour l‘environnement face aux défis climatiques actuels, mais nécessite néanmoins une quantité de lithium non négligeable. Cependant, la demande en lithium s’est fortement accentuée au cours de la dernière décennie et continuera de croître dans les années à venir. Afin de répondre à cette demande, les projets d'extraction de lithium se multiplient dans le monde entier. L'exploitation minière étant une solution très énergivore et polluante, d'autres sources de lithium, telles que les saumures ou l'eau de mer, sont actuellement à l'étude. Dans cette étude, nous nous concentrerons sur l'approche d'une extraction directe du lithium à partir de sources de saumure de différentes concentrations par adsorption/échange ionique. La première étape consistera à synthétiser et à caractériser une large gamme de matériaux allant des oxydes classiques (LMO, LTO, etc.) aux matériaux poreux hybrides fonctionnalisés (ZIF, MOF, etc.). Il est également prévu de mettre en forme ces matériaux à l'aide d'une extrudeuse afin d'améliorer leurs performances. Ces matériaux seront ensuite évalués dans des conditions statiques et dynamiques. Divers paramètres tels que la concentration en lithium, la présence d'autres cations et leur concentration seront également évalués et optimisés afin d’obtenir un procédé simple, efficace et sélectif. Les résultats de cette étude seront valorisés par le dépôt de brevets et la soumission d'articles scientifiques tout au long de la thèse.
Caractérisation des chemins de réaction conduisant à l’emballement thermique pour nouvelles technologies de batteries
Le développement de cellules tout-solide n’est plus une simple hypothèse aujourd’hui. Dans le cadre du projet Safelimove, nous avons évalué la sécurité de cellules polymères hybrides de 1 Ah et 3 Ah, ce qui a conduit à une publication. De plus, dans le projet Sublime, nous avons évalué la sécurité de cellules 1 Ah à base de sulfure (argyrodite), une publication est actuellement en cours de soumission.
Avec l’arrivée de ces nouvelles cellules, il devient encore plus crucial d’accompagner leur développement par une évaluation fine de la sécurité et l’identification des mécanismes complexes mis en jeu. Les grands instruments tels que le synchrotron et le réacteur à neutrons représentent une opportunité puissante pour atteindre cet objectif, car ils offrent les meilleures résolutions spatiale et temporelle. Par exemple, grâce à la radiographie RX rapide de l’ESRF, il est possible de visualiser l’intérieur de la cellule lors de l’emballement thermique, permettant ainsi d’identifier localement l’impact des réactions (électro)chimiques sur la microstructure des composants et de valider nos modèles d'emballement thermique. De plus, avec la diffusion de rayons X aux grands angles (WAXS), il est possible de suivre in situ l’évolution de la structure cristalline des matériaux actifs pendant une réaction très rapide d’emballement thermique. En effet, l’utilisation de rayonnement synchrotron permet de réaliser un diffractogramme toutes les 3 millisecondes. Le faisceau de neutrons de l'ILL nous permet également de suivre l’évolution de la structure du lithium métal avant, pendant et après l’emballement. Il est important de souligner que ces trois techniques mentionnées sont aujourd’hui maîtrisées par les équipes du LAPS et ont, ou vont faire, l’objet de publications.
Par ailleurs, de nouvelles techniques complémentaires pourront être explorées, pour l’étude de l’impact des contraintes thermiques/mécaniques sur les matériaux actifs à partir de la ligne de lumière BM32, ou l’évaluation des degrés d’oxydation des métaux via la spectroscopie d’absorption des RX (XAS) sur ID26.
Des caractérisations en laboratoire plus classiques seront également effectuées, telles que la DSC, l’ATG-MS et la DRX.
Dans le cadre de nos différentes collaborations, pour le système tout-solide, le matériau actif de l’électrode positive sera très probablement du NMC, voire du LMFP en cas de difficultés d’approvisionnement. L’électrolyte utilisé sera à base de sulfure, voire d’halogénure, tandis que l’anode sera composée de lithium métal voire d’un alliage de lithium. Si le temps le permet, un système post Na-ion sera envisagée à partir de la 2ème année. La thèse visera, entre autres, à identifier, en fonction des matériaux utilisés, s’il y a des réactions avant la déstabilisation de la cathode, si l’électrolyte solide réagit avec l’oxygène de la cathode ou avec le matériau anodique, et si ces réactions parallèles contribuent à une meilleure ou une moins bonne sécurité de la cellule.
Les trois années de la thèse se dérouleront de la manière suivante : la première année sera consacrée à la recherche bibliographique et à la caractérisation de la technologie sulfure. Suite au premier CSI et à l'identification de l'ampleur des travaux en cours sur le sulfure, la seconde année s’appliquera à la technologie sodium-ion ou sur l'approfondissement de la technologie sulfure. Finalement, la troisième année, en plus de la rédaction de la thèse, se focalisera plus précisément sur l’impact des matériaux ainsi identifiés sur la sécurité.
Charge rapide des batteries lithium-ion et lithium-plating : Etude du phenomène par RMN operando
Le sujet de la thèse porte sur le processus de charge rapide des batteries lithium-ion et, plus particulièrement, le phénomène de lithium plating qui sera étudié grâce à la RMN operando. L’application visée est donc la mobilité électrique. L’objectif de la thèse est d’étudier la dynamique d’insertion du lithium et de dépôt de lithium métal à l’électrode négative à base de graphite (ou de graphite/silicium) afin de comprendre les mécanismes conduisant à la formation du plating.
La technique privilégiée est la RMN operando car elle offre la possibilité unique de suivre en même temps les signaux des phases lithiées du graphite et du lithium métallique déposé en cours des processus électrochimiques. Le couplage de l’électrochimie et la RMN operando nous permettra de déterminer l’onset du plating, c’est-à-dire le potentiel de l’électrode négative pour lequel le dépôt s’amorce, et la cinétique de dépôt et de réinsertion du lithium métallique et cela, à différentes températures et différents régimes de courant en charge. Nous étudierons à la fois des systèmes Li-ion constitués d’une électrode négative en graphite pur mais également en graphite-silicium afin d’étudier l’impact du silicium sur ce phénomène. Les données obtenues sur les mécanismes d’onset et les cinétiques de dépôt et de réinsertion du lithium métallique seront implémentées dans un modèle multiphysique déjà développé au laboratoire afin d’améliorer la prédiction de l’onset du plating. Nous serons ensuite à même d’évaluer les gains en chargeabilité sur un système NMC 811 // Gr+Si intégrant des électrodes optimisées et de proposer des protocoles de charges innovants.
Modélisation de la Condensation en Paroi et des Interactions avec le Film Liquide
Dans cette thèse, on s’intéresse à la modélisation des transferts de masse et d’énergie associés à la condensation pariétale pour un écoulement turbulent d’un mélange de vapeur et de gaz incondensables. L’écoulement est diphasique, en régime turbulent, où les modes de convection forcée, mixte et naturelle peuvent être rencontrés. Le cadre de ce travail est l’approche RANS des équations de Navier–Stokes compressibles, où la condensation en paroi sera décrite par des fonctions de paroi semi-analytiques développées dans un précédent travail de thèse cite{iziquel2023}. Ces fonctions intègrent les différents modes de convection ainsi que les phénomènes d’aspiration et d’interdiffusion des espèces, mais négligent la présence du film liquide.
Dans la littérature, l’effet de la formation et de l’écoulement du film liquide sur les transferts de masse et d’énergie est souvent négligé, car on considère qu’en présence de gaz incondensables, la résistance de la couche gazeuse à la diffusion de la vapeur est nettement plus importante que la résistance thermique du film liquide.
L’objectif de cette thèse est d’améliorer la prédiction des transferts thermique et massique par l’investigation, au-delà de la résistance thermique du condensat, de l’effet dynamique du liquide et de son interaction avec la couche gazeuse de diffusion lors de la condensation pariétale, en considérant d’abord un écoulement de film laminaire, puis en tentant de prendre en compte le régime turbulent.
Dans la phase gazeuse, le modèle de fonctions de paroi développé dans la thèse de A. Iziquel (2023) pour un mélange binaire de vapeur et d’un gaz incondensable sera étendu aux mélanges de vapeur et de $n>1$ gaz incondensables (N2, H2, …) afin de traiter la thématique du risque hydrogène.
La validation des modèles implantés sera effectuée sur la base de résultats d’expériences à effets séparés (SET) et à effets couplés (CET) disponibles dans la littérature (Huhtiniemi, COPAIN, ISP47-MISTRA, ISP47-TOSQAN, RIVA). Les comparaisons à l’échelle CFD, avec des fonctions de paroi pour la condensation négligeant le film sur des cas tests de la littérature et des expériences de condensation (COPAIN), permettront d’évaluer l’impact de cette hypothèse ainsi que l’apport de la nouvelle modélisation en termes de précision et de coût de calcul.