Etude du fluage d’assemblage de combustible en interaction fluide-structure

Dans le contexte de la transition énergétique et du mix décarboné, la maîtrise de la performance et de la sûreté des réacteurs nucléaires du parc est un impératif ouvrant encore des voies de recherche et développement à forte valeur ajoutée. Ceci est notamment vrai pour l’optimisation des éléments combustibles.
En effet, au cours de son séjour dans le cœur d’un réacteur de puissance, l’assemblage de combustible est soumis à des contraintes mécaniques, thermiques et hydrauliques. Il subit une évolution de sa géométrie, notamment un allongement et une déformation latérale, en raison du phénomène de fluage lié conjointement à l’irradiation et à l’écoulement d’eau dans le cœur. Avec l’accroissement des temps de séjour des assemblages combustibles dans les réacteurs et du fait des conditions de plus en plus sollicitantes, le besoin de compréhension du phénomène est nécessaire pour améliorer la robustesse de la conception. Il s’agit en particulier d’un problème d’interaction fluide-structure où l’écoulement joue un rôle dans le comportement du fluage de la structure et où la déformation de la structure modifie l’écoulement.
Une précédente étude a permis de mettre en œuvre un dispositif expérimental pour obtenir un fluage rapide sur des maquettes d’assemblages de combustible à échelle réduite. Ces essais ont pu mettre en évidence un effet important des conditions d’entrée du fluide sur le comportement sous fluage des assemblages. L’objectif du travail de thèse proposé est alors d’analyser les résultats expérimentaux à l’aide d’outils de simulations afin de comprendre et de quantifier la phénoménologie du couplage en interaction fluide structure sous fluage. Cette analyse pourra mener à la réalisation d’essais supplémentaires. Un autre aspect important sera la transposabilité des résultats aux conditions réelles.
La thèse se déroulera à l’institut IRESNE du centre de Cadarache, en collaboration avec l’industriel Framatome, apportant sa vision opérationnelle dans le suivi et l’orientation des travaux de recherche. Le travail proposé ouvre de ce fait des perspectives solides à l’issue de la thèse aussi bien dans les centres de recherche qu’en environnement industriel.

Dévéloppement d’un instrument microfluidique sans lentille de mesure in-situ de cinétiques de dissolution faciès dépendants

Cette thèse fait partie d’un programme ambitieux désigné comme un programme prioritaire de recherche. Ce projet identifie le sous-sol français comme un réservoir majeur de ressources nécessaires à la transition énergétique.
Dans ce contexte, un des enjeux majeurs est la dissolution de minerais dans le cadre de l’extraction minière et de la métallurgie extractive. En particulier, dans l’objectif de l’industrialisation des procédés, les cinétiques de dissolution des minerais doivent être compatibles avec l’empreinte au sol des installations, la biocompatibilité et le volume des réactifs consommés.
Le constat aujourd’hui est la très forte inadéquation entre le volume des données expérimentales produites et celles nécessaires pour modéliser les processus chimiques indispensables pour démontrer la viabilité des procédés industriels.
Cette thèse propose de mettre au point un banc prototype millifluidique d’acquisition de données cinétiques en masse par des techniques d’imagerie sans lentille. Ceci permettra de mesurer des cinétiques réactionnelles de dissolution par des techniques de reconstitution 3D, in-situ, dans des conditions chimiques stables et avec une représentativité statistique permettant la prise en compte des propriétés originales du solide.
Une large part des recherches sera orientée vers la mise au point de la technique optique sans lentille dans un dispositif millifluidique et la production en masse de données cinétiques chimiques pour des modèles de dissolution catalytiques.
Le profil recherché est celui d'un étudiant en physique et chimie généraliste, avec une forte envie d'apprentissage dans les domaines qu'il connait le moins comme la microfluidique ou de l'optique. A l'issue de cette thèse, l'étudiant acquerra une solide expérience professionnelle dans la recherche appliquée et apprendra à évoluer dans un environnement multithématique.

Développement d’aciers martensitiques inoxydables à très bas carbone renforcés par nano-dispersion d’oxydes

Cette thèse vise à améliorer les performances des aciers nucléaires du futur. Pour les composants de cœurs des réacteurs rapides refroidis au sodium ou au plomb, les aciers martensitiques sont particulièrement étudiés car ils présentent généralement un faible gonflement sous irradiation, comparés aux nuances austénitiques. Afin d’améliorer leurs propriétés en fluage, ces nuances sont parfois renforcées par une très fine dispersion d’oxydes nanométriques stables (Oxides Dispersed Strengthened). Cependant, les aciers ODS martensitiques conventionnels, dont la teneur en chrome est limitée à 9-11 %Cr, souffrent souvent d'une faible ténacité à température ambiante. Des études récentes montrent que la ténacité des aciers ODS pourrait être améliorée pour de très faibles teneurs en carbone.
La thèse propose la démarche originale d’associer les propriétés exceptionnelles de ténacité et de corrosion d’une matrice d’aciers Maraging à une précipitation de type ODS. En effet, la famille des aciers inoxydables Maraging regroupe des nuances riches en chrome (10-15%) et en nickel (4-9%) et à très faible teneur en carbone (<0,02% massique). Après austénitisation et trempe, ces nuances présentent une structure martensitique et offrent, généralement, un compromis exceptionnel entre limite d’élasticité et ténacité.
Afin d’évaluer les performances de ces nuances innovantes, des compositions d’intérêt seront sélectionnées, élaborées et caractérisées dans les laboratoires du CEA et avec les équipes académiques partenaires.

PROFIL du POSTE : Le candidat doit présenter un profil de M2 avec une formation de base en science des matériaux et idéalement en métallurgie. Le sujet présente une forte composante expérimentale. Des connaissances élémentaires en microscopie électronique et/ou en diffraction des rayons X sont requises pour ce poste. A l’issu de sa thèse le candidat disposera de solides connaissances en métallurgie et aura mis en œuvre de nombreux moyens pointus de caractérisation microstructurales (MEB, MET, SAXS DRX, DSC). Il pourra naturellement prétendre à un emploi de chercheur en métallurgie dans de nombreuses industries.

Transport et piégeage de l’hydrogène dans les alliages austénitiques : couplage expériences et calculs numériques.

L’hydrogène moléculaire H2 est un vecteur d’énergie alternatif aux énergies fossiles traditionnelles, gaz ou pétrole. Il pourrait répondre aux défis énergétiques et environnementaux actuels, c’est-à-dire au besoin de stockage de l’énergie produite par des moyens intermittents comme l’éolien ou le photovoltaïque ou de l’excès d’énergie produite par la filière nucléaire, sans produire de gaz à effet de serre lors de son utilisation. Néanmoins, son stockage et son transport en toute sécurité est une des clefs de son utilisation. Les conteneurs ou les canalisations qui véhiculent l’hydrogène doivent être étanches et conserver leur intégrité dans le temps. Comprendre et prédire le comportement de l’hydrogène dans les alliages des conteneurs/canalisations et les dégradations mécaniques associées – comme la fragilisation – est dès lors crucial pour le développement de la filière hydrogène.
Si de nombreux travaux expérimentaux ont permis d’identifier la fissuration par hydrogène comme étant à l’origine des dégradations des alliages exposés à l’hydrogène, de larges zones d’ombre subsistent encore sur les mécanismes à l’œuvre du fait de difficultés expérimentales et de la grande variabilité des phénomènes observées. Par ailleurs, le transport et le piégeage de l’hydrogène préalable aux dégradations mécaniques sont mal connus et peu documentés à l’échelle nanométrique.
L’objectif de la thèse est d’explorer les mécanismes de transport / piégeage de l’hydrogène dans les alliages austénitiques, et de sa distribution en volume, en amont de la fissuration pour être capable de rendre compte et d’expliquer les observations expérimentales.
Pour atteindre cet objectif, le travail de thèse sera dédié à l’étude du nickel pur, système modèle des austénitiques. L’étude sera conduite en trois volets : (i) des mesures expérimentales de thermo-désorption seront réalisées sur des matériaux modèles ainsi que (ii) des simulations de dynamique moléculaire en potentiels empiriques à l’échelle atomique, puis (iii) les données obtenues alimenteront des modélisations de cinétique chimique couplée à la loi de Fick à l’échelle mésoscopique permettant d’assurer la transition d’échelle nanoscopique - mésoscopique.

Développement de matériaux intelligents pour les applications bas carbone

Le sujet de cette thèse porte sur le développement de matériaux intelligents pour des applications bas carbone, en mettant l'accent sur la fabrication additive métallique. Cette technologie a révolutionné les méthodes de production industrielles en permettant la création de pièces complexes et légères, tout en garantissant une précision et une flexibilité accrues. Cela est particulièrement pertinent dans des secteurs exigeants comme l'aérospatiale, l'automobile et le nucléaire, où la fiabilité est primordiale. En intégrant des capteurs optiques dans des structures métalliques grâce à des procédés de fabrication additive, il est possible de réaliser une surveillance en temps réel de paramètres critiques tels que la contrainte, la température et les doses de rayonnement. Cela permet d'améliorer la sécurité et l'efficacité des opérations d'exploitation et de maintenance. La thèse vise à relever les défis liés à la surveillance et au contrôle des conditions des infrastructures, en garantissant une surveillance continue des structures et un contrôle précis des paramètres environnementaux. De plus, l'étude s'intéresse à la durabilité des matériaux et à la manière dont les capteurs intégrés peuvent fonctionner dans des environnements hostiles. Enfin, cette recherche ambitionne de développer des solutions pour un assainissement et un démantèlement efficaces et sécurisés.

Analyse expérimentale et numérique des interactions fluide-structure dans la propagation des ondes de raréfaction à travers des structures complexes des réacteurs à eau pressurisée

L'accident de perte de réfrigérant primaire (APRP) dans les réacteurs à eau pressurisée (REP) entraîne des phénomènes transitoires rapides, tels que la propagation d'ondes de raréfaction dans les structures internes du réacteur. Ces ondes provoquent des charges de pression transitoires entre différentes zones, comme le cœur du réacteur et la zone de by-pass, ce qui exerce des contraintes sur le cloisonnement. La déformation de cette structure critique peut compromettre l'intégrité structurelle du réacteur et compliquer la manipulation des assemblages de combustible, notamment leur retrait après l'accident.

Le principal objectif scientifique est de développer, implémenter et valider de nouveaux modèles numériques permettant de simuler de manière plus précise la propagation des ondes de raréfaction à travers des obstacles complexes. L’état de l’art actuel repose sur des modèles simplifiés, validés uniquement pour des configurations simples comme les plaques à simple orifice (diaphragmes). Cependant, il existe un besoin d’élargir ces modèles à des géométries plus complexes, telles que les plaques à trous multiples, en utilisant différents méthodes numériques.
L’élaboration d’un modèle de porosité pour représenter les assemblages combustibles est également cruciale. Les résultats attendus seront validés expérimentalement et ont des applications directes pour les partenaires industriels EDF et Framatome, renforçant l'intérêt industriel de cette recherche.

La thèse adoptera une approche combinée, à la fois expérimentale et numérique. L’utilisation de la plateforme MADMAX permettra de tester différents obstacles complexes et de recueillir des données expérimentales détaillées grâce à des capteurs spécialisés. Ces données serviront à valider les modèles numériques développés dans le logiciel EUROPLEXUS. De plus, les simulations incluront des approches novatrices telles que un nouveau modèle de porosité pour les structures internes des réacteurs. La participation à des conférences internationales et la publication des résultats sont prévues pour assurer la diffusion scientifique des avancées.

La thèse se déroulera au laboratoire DYN du CEA Paris-Saclay, qui dispose d’équipements expérimentaux uniques, comme la plateforme MADMAX, et d’une forte expertise en modélisation numérique. Plusieurs collaborations industrielles (EDF, Framatome) et académiques offriront un environnement riche pour le doctorant, avec des échanges réguliers au sein de réseaux internationaux.

Le candidat idéal devra avoir de solides compétences en mécanique des fluides, dynamique des structures, modélisation numérique (éléments finis, volumes finis), et en programmation. Une première expérience avec des outils comme EUROPLEXUS sera un plus. Un stage de M2 pourra être proposé pour familiariser le candidat avec les méthodes et outils utilisés dans cette thèse.

Cette thèse permettra au doctorant d’acquérir des compétences hautement spécialisées en interactions fluide-structure, modélisation numérique et expérimentation dans un contexte industriel. Ces compétences sont très recherchées dans les secteurs de l’énergie, de l’aéronautique et des technologies de simulation avancée, ouvrant la voie à des carrières dans la recherche appliquée ou l’ingénierie dans l’industrie.

Modélisation multiphysique du comportement des gaz de fission dans la microstructure des combustibles nucléaires

Face à l’urgence climatique, l'accélération de la transition vers des technologies décarbonées est impérative, ce qui implique entre autre le développement de matériaux plus performants pour la production et le stockage de l’électricité. Cela inclut l’innovation dans le domaine des combustibles au cœur du fonctionnement des réacteurs nucléaires. La compréhension et la prédiction de leur comportement sont nécessaires pour améliorer la sécurité et l’efficacité du parc nucléaire actuel et futur.

Un aspect clé concerne les gaz de fission générés lors des réactions de fission. Ces atomes de gaz, peu solubles, forment des bulles nanométriques puis micrométriques qui grossissent pendant l'exploitation du combustible, affectant significativement les propriétés macroscopiques. La simulation numérique, complémentaire à la caractérisation expérimentale, permet de modéliser la formation et l'évolution de ces bulles, ainsi que de prédire l'évolution des propriétés. Cette approche facilite la conception de nouveaux types de combustible aux performances accrues.

L’objectif de cette thèse est de contribuer au développement et à l’amélioration des modèles de simulation du comportement des gaz de fission dans la microstructure polycristalline des combustibles nucléaires, notamment l’oxyde d’uranium. Le/la doctorant·e devra définir un modèle physique basé sur la méthode du champ de phase, calculer les paramètres d’entrée et réaliser des simulations numériques reproduisant des expériences d’irradiation menées au sein de notre département. Ces travaux permettront d’approfondir notre compréhension des phénomènes physiques sous-jacent au comportement du gaz (formation de bulles, relâchement et gonflement engendré) grâce à la comparaison directe entre les résultats des simulations et les mesures expérimentales. Ce projet constituera également la validation expérimentale du code de calcul scientifique INFERNO qui sera utilisé pour ces simulations sur les supercalculateurs du réseau national.

La thèse se déroulera au Département d’Étude des Combustibles (DEC) de l’institut IRESNE (CEA-Cadarache), dans un cadre collaboratif impliquant des experts en modélisation et en caractérisation expérimentale du CEA. Le/la doctorant·e sera amené·e à disséminer les résultats de ses recherches via des publications scientifiques et à participer à des congrès internationaux. Au cours de la thèse, il/elle développera une expertise approfondie en modélisation multiphysique, simulations numériques et informatique. Ces compétences seront aisément valorisables pour une carrière dans la recherche académique, dans la R&D industrielle, ou l’ingénierie des matériaux.

Références :
https://doi.org/10.1063/5.0105072
https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2019.01.019

Couplage entre transfert de masse et hydrodynamique diphasique : investigation expérimentale et validation/calibration de modèles

Lors d'un accident avec fusion du cœur, un bain de matière en fusion, appelée corium, peut se former en fond de cuve. La composition du bain peut évoluer au cours du temps. Le bain de corium n'est pas homogène et peut se stratifier en plusieurs phases immiscibles. Avec l'évolution de la composition globale du corium, les propriétés des différentes phases évoluent. Ainsi l'ordre de stratification vertical des phases peut changer, ce qui induit un réarrangement vertical des phases. Lors de ce réarrangement une phase traverse l'autre sous forme de gouttes. L'ordre des phases ainsi que leurs mouvements sont de première importance car ils influencent grandement les flux thermiques transmis à la cuve. Mieux comprendre ces phénomènes permets d'améliorer la sûreté et le design autant des réacteurs actuels que futures.

Des premières modélisations ont déjà été réalisées, mais elles manquent de validation et de calibration. Les expériences prototypiques sont difficiles à mettre en place et à court terme aucune n'est prévue. Le présent sujet de thèse propose de combler ce manque en réalisant une étude expérimentale du phénomène à l'aide d'un système simulant à base d'eau permettant une instrumentation locale et de grandes campagnes d'essai. Le but est de valider, calibrer les modèles existants, voire en développer de nouveaux, avec en ligne de mire la possibilité de capitaliser ces résultats dans la plateforme logiciel PROCOR, qui est utilisée pour réaliser des estimations de probabilité de percement de la cuve d'un réacteur. Le dispositif expérimental serait construit et opéré au laboratoire LEMTA de l'université de Lorraine où le doctorant serait détaché. En termes d'expériences, deux cas seront à étudier, le cas goutte seule, et le cas stratifié avec formation de goutte via instabilités de Rayleigh-Taylor.

La thèse sera principalement expérimentale avec un volet utilisation de code pour le calage, la validation et pourra inclure un volet modélisation. Elle se déroulera dans son intégralité au laboratoire LEMTA à Nancy. Le doctorant profitera ainsi des compétences du LEMTA en ce qui concerne le développement de dispositifs expérimentaux simulants, les transferts dans les fluides et la métrologie. Il sera intégré à un environnement dynamique composé de chercheurs et d'autres doctorants. Le candidat devra avoir des connaissances en phénomènes de transferts (de masses notamment), ainsi qu'une appétence certaine pour les sciences expérimentales.

Compréhension locale de l’interface corium-béton par expérimentation

Dans le contexte de la transition énergétique et de la place cruciale du nucléaire dans un mix énergétique décarboné, comprendre, puis atténuer les conséquences de tout accident conduisant à fusion, même partielle, du cœur d’un réacteur représente une direction de recherche impérative.
Lors d’un accident grave avec fusion du cœur, l’amalgame de matériaux issus de la fusion du cœur, ou corium, peut interagir avec le béton du radier de la centrale. La méconnaissance des phénomènes physiques locaux et interfaciaux lors de l’interaction corium-béton (ICB) a conduit à l’élaboration de différents outils internationaux de simulation. Aucun n’a réussi à expliquer les récentes observations sur la centrale accidentée de Fukushima Daiichi. Il s’avère donc crucial d’améliorer les outils de simulation de l’ICB.
Ainsi, ce sujet de thèse a pour objet l’étude expérimentale, détaillée et locale, de l’interface corium/béton avec du corium prototypique (uranium appauvri). Pour cela, le candidat élaborera un dispositif d’essai qui sera introduit dans le four inductif VITI de la plateforme PLINIUS dédiée à l’étude des accidents graves sur le centre de Cadarache. Après la qualification du dispositif expérimental, des essais locaux d’interaction corium béton dans VITI seront réalisés sur différents types de béton (dont un échantillon de Fukushima) et avec différents coriums, permettant une approche incrémentale par effets séparés. L’ablation sera caractérisée via la perte de masse et le relâchement d’hydrogène. L’interface sera aussi caractérisée après rapide retrait du corium. Les échantillons seront également étudiés aux rayons X (e.g. tomographie). Suivant l’avancement des travaux et la compréhension de la phénoménologie de l’ICB, un modèle pourra être développé, puis intégré dans un outil de simulation.
Le travail de thèse se déroulera conjointement dans les laboratoires d’expérimentation et de modélisation des accidents graves de l’institut IRESNE de Cadarache, dans un environnement de recherche au meilleur niveau international pour l’étude des phénomènes multiphysiques à très haute température. Ce travail pourra aussi s’enrichir des travaux recherche réalisés dans le cadre de l’ANR IMMOC, en partenariat avec des universitaires (CNRS Laboratoire Navier, AMU-CNRS Madirel…).

Caractérisation expérimentale et simulation numérique de la rupture d’oxydes intergranulaires : Application à la corrosion sous contraintes assistée par l’irradiation

Les alliages métalliques utilisés dans les applications industrielles peuvent former des couches d’oxydes en présence d’un environnement corrosif. Ces oxydes peuvent être répartis en surface et / ou se localiser au niveau des joints de grains. Dans ce dernier cas, les joints de grains oxydés peuvent rompre de manière fragile sous chargement mécanique, et potentiellement conduire à la rupture intergranulaire du matériau. Ce mécanisme est par exemple un scénario possible de la rupture de vis en acier inoxydable austénitique utilisées dans les Réacteurs nucléaires à Eau Pressurisée (REP). Sous l’effet du chargement mécanique, de l’irradiation par les neutrons et de la présence de l’environnement corrosif, ces vis peuvent se fissurer par un phénomène appelé corrosion sous contraintes assistée par l’irradiation. La modélisation de ce phénomène passe d’une part par la détermination des propriétés de rupture des oxydes intergranulaires, et d’autre part par la prise en compte des couplages entre fissuration, oxydation et irradiation. Dans cette thèse, une approche originale qui combinera expériences et simulations numériques est proposée. Dans un premier temps la mise en œuvre de simulations numériques basées sur l’approche variationnelle de la rupture sera abordée pour concevoir des expériences de micromécanique de type micro-poutres visant d’une part à déterminer les propriétés de rupture des oxydes de manière fiable et d’autre part à étudier les couplages entre fissuration, oxydation et irradiation. En particulier, le couplage fissuration – oxydation préfigurant la transition entre amorçage et propagation sera étudié en détail. Dans un second temps, ces expériences seront réalisées sur des aciers modèles et d’intérêt industriel, puis interprétées à l’aide des simulations numériques. L’ensemble des résultats obtenus sera finalement incorporé dans des simulations d’agrégats
polycristallins afin d’évaluer la possibilité de prédire de manière quantitative la fissuration intergranulaire dans
le cadre du phénomène de corrosion sous contraintes assistée par l’irradiation.