Poudres d’UO2: Caractérisation morphologique des agrégats et étude de leurs interactions par une approche combinée expérimentale / numérique
Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’optimisation des procédés de fabrication des combustibles nucléaires, qui reposent sur la métallurgie des poudres d’oxyde d’uranium (UO2) et de plutonium (PuO2). Ces poudres présentent une microstructure hiérarchisée, composée de cristallites formant des agrégats rigides, eux-mêmes agglomérés en structures de plus grande taille. La morphologie et les interactions entre agrégats jouent un rôle déterminant dans le comportement macroscopique des poudres — notamment leur coulabilité, leur compressibilité et leur capacité d’agglomération — et conditionnent la qualité des pastilles obtenues après pressage et frittage. Cependant, la caractérisation expérimentale de ces agrégats reste complexe et ne permet pas encore d’établir un lien prédictif entre les procédés de synthèse et les propriétés morphologiques.
L’objectif de cette thèse est de combiner des approches expérimentales et numériques pour caractériser finement les agrégats d’une poudre de référence. D’un point de vue expérimental, des techniques telles que la microscopie électronique à balayage (MEB), la mesure de surface spécifique (BET) et la granulométrie laser seront utilisées pour déterminer la taille, la rugosité et la distribution en taille des particules. En parallèle, des simulations numériques de type Discrete Element Method (DEM) seront utilisées afin de construire un jumeau granulaire fidèle aux propriétés mesurées. Ce jumeau permettra de remonter à la structure interne des agrégats, d’évaluer les forces d’adhésion interparticulaires et d’analyser les phénomènes d’agglomération et de densification en conditions contrôlées.
La thèse se déroulera au CEA Cadarache au sein de l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE). L’étudiant sera affecté au Laboratoire de Développement des OCS combustibles PLEIADES (LDOP) qui est spécialiste de la simulation du comportement du combustible (de la fabrication à son comportement sous irradiation) et des méthodes numériques multiéchelles. Elle sera réalisée en collaboration avec le CNRS/LMGC de Montpellier, reconnu internationalement pour ses travaux sur les milieux granulaires, et le Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU- CEA Cadarache), qui a une forte expérience sur la caractérisation expérimentale des poudres d’Uranium.
Le doctorant devra montrer principalement des compétences en simulation numérique et dans l’analyse physique des résultats. Il valorisera ses résultats au travers des publications et participations à des congrès et aura l’occasion d’apprendre ou de se perfectionner dans plusieurs techniques (expérimentales et numériques) réutilisables dans d’autres contextes. En particulier, les problématiques liées à la physique des milieux granulaires, qui constituent le cœur de cette thèse, présentent un intérêt industriel marqué et sont communes à de nombreux autres secteurs manipulant des poudres, tels que la pharmacie, l’agroalimentaire ou la métallurgie des poudres.
[Hebrard2004] S.Hebrard, Etude des mécanismes d’évolution morphologique de la structure des poudres d’UO2 en voie sèche, thèse de doctorat, CEA-LSG2M-COGEMA), 2004.
[Pizette2010] P. Pizette, C.L. Martin a, G. Delette, P. Sornay, F. Sans, Compaction of aggregated ceramic powders: From contact laws to fracture and yield surfaces, Powder Technology, 198, 240-250, 2010.
[Tran2025] T.-D. Tran , S. Nezamabadi , J.-P. Bayle, L. Amarsid, F. Radjai , Effect of interlocking on the compressive strength of agglomerates composed of cohesive nonconvex particles, Advanced Powder Technology 36, 2025.
Modélisation Micromécanique du Comportement de Polycristaux aux Interfaces Imparfaites : Application au Combustible UO2 Irradié
Cette thèse a pour objectif d’analyser les propriétés thermomécaniques du combustible UO2, utilisé dans les réacteurs à eau pressurisée (REP), en considérant la présence de défauts microscopiques. Celle-ci se concentre plus particulièrement sur les phénomènes de décohésion intergranulaire, observés à différents stades d’évolution du combustible, notamment en amont de l’initiation et de la propagation de fissures. Cette étude vise à clarifier l’impact de la décohésion sur les propriétés locales et effectives de l’UO2 au cours de son irradiation. Pour cela, la décohésion intergranulaire est modélisée, à l’échelle locale, à l’aide de modèles d’interfaces imparfaites, assurant la continuité de la traction tout en autorisant un saut de déplacement à l'interface entre les différents grains. Ce choix permettra le développement de modèles d'homogénéisation avec des développements théoriques et numériques innovants, à même de retranscrire le comportement du combustible à très haute température, en conditions incidentelles et accidentelles. Ces travaux seront réalisés au CEA Cadarache au sein de l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE) en étroite collaboration avec des équipes de recherche nationales et internationales. Les outils développés contribueront à améliorer la compréhension des propriétés du combustible et à renforcer la précision et la fiabilité des modèles existants, notamment ceux intégrés dans la plateforme de simulation PLEIADES du CEA, développée en collaboration avec les industriels français du nucléaire.
Fissuration sous gradient thermique du combustible lors d’une chauffe laser: corrélation d’images, simulation et adaptation du dispositif expérimental.
Le sujet de cette thèse propose de simuler la fissuration du combustible nucléaire, constitué d'une céramique fragile, le dioxyde d'uranium, au cours d’essais de chauffe laser et de comparer par corrélation d'images résultats numériques et expérimentaux. Cette comparaison permettra d'optimiser le dispositif expérimental pour améliorer la qualité des résultats expérimentaux et aller vers une validation quantitative des modèles d'endommagement à gradient utilisés dans les simulations.
Le point de départ de ces travaux est une campagne de fragmentation de pastilles de dioxyde d’uranium par chauffe laser qui a été menée dans le cadre du doctorat d’Hugo Fuentes[1] réalisée dans l'un des laboratoires expérimentaux du l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE) du CEA Cadarache (DEC/SA3E/LAMIR). Cette chauffe permet de reproduire des gradients de température représentatifs des conditions en réacteurs. Pour chaque essai, des films montrant l’évolution des fissures et l’évolution des températures en surface de pastille sont disponibles.
Ces films seront analysés par corrélation d'images [3] grâce à un logiciel interne pour déterminer des conditions aux limites optimales des simulations numériques et extraire les données utiles à la validation des modèles. Les essais seront ensuite modélisés par des modèles d'endommagement à gradient développés dans les thèses de David Siedel et Pedro Nava Soto [2]. En fonction des résultats obtenus, le doctorant pourra optimiser le dispositif et/out l'adapter pour traiter d'autres situations de fonctionnement et mener une nouvelle campagne expérimentale.
Le doctorant sera en interaction forte entre un laboratoire de simulation et un laboratoire expérimental au sein de l'institut IRESNE du CEA Cadarache . Le travail proposé est ouvert et pourra être valorisé par des participations à des conférences nationales ou internationales et l'écriture d'articles scientifiques dans des revues à fort impact.
[1] Fuentes, Hugo, Doualle, Thomas, Colin, Christian, Socié, Adrien, Helfer, Thomas, Gallais, Laurent and Lebon, Frédéric. Numerical and experimental simulation of nuclear fuel fragmentation via laser heating of ceramics. In : Proceeding of top fuel 2024. Grenoble, 29 September 2024.
[2] Nava Soto, Pedro, Fandeur, Olivier, Siedel, David, Helfer, Thomas and Besson, Jacques. Description of thermal shocks using micromorphic damage gradient models. European Solid Mechanics Conference, Lyon. 2025.
[3] Castelier Etienne, Rohmer E., Martin E., Humez B. Utilisation de la dimension temporelle pour ameliorer la
correlation d'images. 20 eme Congres Francais de Mecanique, 2011.
Couplage partitionné fluide-structure avec approche Lattice-Boltzmann pour l'analyse de transitoires rapides dans le cadre du risque hydrogène
Dans une logique de préparation de l’avenir dans le domaine de la simulation à haute-fidélité et haute performance, le CEA explore avec ses partenaires académiques et industriels le potentiel des couplages fluide-structure impliquant la méthode de Boltzmann sur réseau (Lattice Boltzmann Methods, LBM). Le couplage se place dans le cadre d’un standard open-source promu par le CEA et des premiers pas prometteurs ont été franchis pour des écoulements compressibles en interaction avec des structures subissant grands déplacements et rupture. Des verrous importants restent à lever, notamment pour des représentations du fluide plus complexes et représentatives des besoins industriels, en particulier pour la sûreté des dispositifs énérgétiques décarbonés comme les batteries ou les réacteurs nucléaires.
Le présent travail doctoral s’intéresse ainsi à l’extension des briques de base disponibles au cas de la propagation de flammes dans des mélanges hydrogène/air, dans des régimes de déflagration et de détonation avec transition possible entre les deux, et en interaction avec des structures flexibles en déplacement fini. Cela présuppose notamment la prise en compte d’écoulements compressibles avec des nombres de mach élevés dépassant significativement ce qui a été mis en œuvre jusqu’alors, impliquant de réanalyser en profondeur les schémas de couplage et techniques d’interaction fluide-structure.
La thèse sera réalisée dans le cadre d'une collaboration entre l’institut IRESNE du CEA Cadarache et le laboratoire M2P2 (AMU). Elle se déroulera majoritairement au M2P2 sous la direction de Pierre Boivin et Julien Favier, avec un encadrement méthodologique de l'IRESNE, notamment pour les questions de technique de couplage.
Couplage DEM-LBM pour la simulation de l'éjection de milieux granulaires immergés dans un fluide Compressible sous Hauts Gradients de Pression
Dans les réacteurs à eau sous pression (REP), le combustible est formé de pastilles d’oxyde d’uranium (UO2) empilées dans des gaines métalliques. Lors d’un scénario d’accident de perte de réfrigérant primaire (APRP), la montée rapide de température peut provoquer la déformation et parfois la rupture de ces gaines. Ce phénomène entraîne potentiellement l’éjection de fragments de combustible dans le circuit primaire. L’ensemble de ces mécanismes est appelé FFRD (Fuel Fragmentation, Relocation and Dispersal). La gaine étant la première barrière de sûreté, il est essentiel d’évaluer la quantité de combustible dispersée. Des études expérimentales ont montré que la taille, la forme des fragments, la forme de la brèche et la pression interne influencent fortement l’éjection. Cependant, la rapidité de la première phase de dépressurisation rend les mesures directes difficiles. Les approches numériques, notamment via le couplage fluide-grains (LBM-DEM), offrent une alternative prometteuse. L'Institut IRESNE du CEA Cadarache, à travers la plateforme PLEIADES, développe ces outils pour modéliser le comportement des fragments. Toutefois, la compressibilité du gaz reste à intégrer pour reproduire fidèlement la dépressurisation initiale. Dans ce cadre, le laboratoire de Mécanique, modélisation et Procédés propre M2P2 (CNRS), spécialiste de la modélisation des écoulements compressibles avec la méthode LBM et développeur du logiciel ProLB, apporte son expertise pour intégrer cet effet. La thèse vise donc à concevoir et améliorer un modèle compressible dans le couplage LBM-DEM, à mener une étude paramétrique, et à développer un démonstrateur HPC en 3D capable d’exploiter les supercalculateurs modernes.
Cette thèse CEA sera menée en étroite collaboration entre le Département d’Etudes des Combustibles (DEC) de l’institut IRESNE du CEA de Cadarache et le Laboratoire M2P2 (CNRS). Vous serez localisé majoritairement au M2P2 mais ferez des séjours réguliers au CEA au sein du Laboratoire de simulation des combustibles duquel vous dépendrez. Les approches développées dans cette thèse garantissent un haut niveau scientifique avec de nombreuses applications industrielles potentielles dans et hors domaine nucléaire.
Optimisation de forme au service de l'innovation combustible
L’industrie nucléaire vise à développer des combustibles nucléaires toujours plus sûrs avec des combustibles appelés « Accident-Tolerant Fuel » [1]. Cela passe notamment par la conception de combustibles fonctionnant à relativement basse température (dit «froids ») en fonctionnement nominal, ce qui peut s’obtenir par l’ajout d’additifs très conducteurs.
L’objectif de la thèse est de développer des méthodes numériques (capitalisées dans un code semi-industriel), afin de pouvoir proposer de nouvelles «formes» de combustibles (le mot «forme» étant pris au sens de la structure interne ou de la microstructure), optimisées pour les phénomènes considérés. Pour ce faire, on utilisera des techniques mathématiques et numériques récentes liées à l’optimisation de forme [2].
L’étude commencera par une modélisation simple des phénomènes thermo-mécaniques [3]. Puis, un aller-retour entre l'implémentation de méthodes, les résultats obtenus et la modélisation physique sera nécessaire, afin de reformuler des problèmes physiques plus complexes sous une forme numériquement accessible.
Cette thèse se déroulera au CEA de Cadarache au sein du Département d’Etude des Combustibles, plus précisément du Laboratoire des Méthodes Numériques et Composants Physiques pour la plate-forme PLEIADES (LMCP). Ce département est rattaché à l'Institut IRESNE, l’Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d’Energie bas carbone. La thèse sera réalisée en collaboration avec une équipe de l’Université de Nice offrant ainsi un encadrement à la fois académique et en lien avec les problématiques industrielles. Elle s'inscrit plus largement dans le projet Fast-in-Fuels, au sein du Programme Prioritaire de Recherche PEPR DIADEM.
Le candidat sélectionné possèdera un solide bagage en calcul scientifique, en analyse et analyse numérique d’équations aux dérivées partielles, ainsi que des notions d’optimisation. Idéalement, il aura également des connaissances de base en thermique et mécanique des milieux continus. Le sujet proposé a un objectif appliqué ciblé, mais il possède une véritable composante exploratoire. Par ailleurs, il se trouve au carrefour de champs scientifiques variés. C’est pourquoi il sera attendu de l’étudiant en thèse de faire preuve de curiosité et créativité.
[1] Review of accident tolerant fuel concepts with implications to severe accident progression and radiological releases, 2020.
[2] G. Allaire. Shape optimization by the homogenization method, volume 146 of Applied Mathematical Sciences. Springer-Verlag, New York, 2002.
[3] T. Devictor. Manuscrit de thèse, 2025 (a paraître)
Optimisation géométrique sous contrainte de frontières immergées pour la simulation thermo-hydraulique d'écoulements turbulents en volumes finis
La problématique sous-jacente à ce sujet de thèse concerne la mitigation des conséquences liées à un accident de perte de réfrigérant primaire dans un réacteur à eau pressurisée à boucles. Il est de la plus haute importance de minimiser le débit d’eau sortant de la cuve et de gérer le mieux possible les réserves d’eau froide disponibles pour les injections de sûreté, afin d’empêcher ou de retarder le dénoyage du cœur, sa surchauffe et sa possible dégradation. On envisage pour cela l'utilisation de dispositifs passifs fonctionnant sur le principe des diodes hydrauliques, tels que les limiteurs de débit en cuve ou les accumulateurs avancés. Le sujet de cette thèse est l'optimisation géométrique de ce type de dispositif, décrit par une frontière immergée, afin de maximiser son efficacité de service.
Plusieurs thèses précédentes ont permis l'introduction dans le logiciel TRUST/TrioCFD de la méthode de frontière immergée Penalized Direct Forcing (PDF), sous diverses discrétisations spatiales et pour des régimes laminaires et turbulents. De même, elles ont statué sur les possibilités d'optimisation géométrique déterministe en éléments finis, au cours de la simulation, en s'appuyant sur l'utilisation de la méthode PDF.
Après une étude bibliographique de ce type de méthode, on s'intéressera aux possibilités de sa mise en œuvre pour des écoulements turbulents, en discrétisation volumes finis, à la prise en compte des contraintes et à la comparaison avec des calculs de référence. Cette comparaison sera réalisée sur des configurations académiques et industrielles (accumulateurs et limiteurs de débit).
Le doctorant sera intégré dans une unité de recherche sur les systèmes nucléaires innovants au sein de l'Institut IRESNE (CEA Cadarache). Il développera des compétences en mécanique des fluides et méthodes numériques.
Etude expérimentale et simulation DEM du démélange de poudres d’actinides lors des opérations de transfert.
La fabrication des combustibles nucléaires à base d’oxydes d’actinides (UO2, PuO2) implique de nombreuses opérations de manutention de poudres, au cours desquelles peuvent survenir des phénomènes de ségrégation. Ces phénomènes, liés notamment aux différences de taille, de forme, de densité ou encore d’état de surface, influencent directement l’homogénéité des mélanges, et donc la qualité et la régularité des pastilles de combustible obtenues. Leur maîtrise constitue ainsi un enjeu industriel majeur pour garantir la robustesse des procédés et la conformité du produit final.
Cette thèse vise à approfondir la compréhension des mécanismes de démélange des poudres d’UO2 au cours des étapes de transfert, en particulier lors du transport par convoyeur vibrant et de la chute gravitaire. L’objectif scientifique principal est d’établir le lien entre les propriétés physiques et rhéologiques des poudres, les conditions opératoires du procédé, et l’intensité des phénomènes de ségrégation observés. Le travail combinera expérimentation et simulation numérique DEM afin d’identifier les paramètres matériaux et procédés influençant la ségrégation. Des dispositifs expérimentaux seront développés pour caractériser les poudres et évaluer l’intensité du démélange, tandis que les simulations permettront de valider et d’extrapoler les observations.
Réalisée au CEA Cadarache au sein du Laboratoire des combustibles Uranium (LCU) de l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE) en collaboration avec le laboratoire TIMR de l’UTC, ce projet permettra de proposer des recommandations pour limiter la ségrégation lors des opérations industrielles, et d’améliorer la prédiction de la propension à la ségrégation de mélanges de poudres, en particulier de poudres cohésives d’actinides.
Le doctorant valorisera ses résultats au travers des publications et participations à des congrès. Il aura l’occasion d’apprendre ou de se perfectionner dans plusieurs techniques réutilisables dans d’autres contextes, applicables à de nombreux domaines de la science des matériaux et de l’ingénieur. En particulier, les problématiques liées à la physique des milieux granulaires, qui constituent le cœur de cette thèse, présentent un intérêt industriel marqué et sont communes à de nombreux autres secteurs manipulant des poudres, tels que la pharmacie, l’agroalimentaire ou la métallurgie des poudres.
Mesures fines en trois dimensions de couches limites en écoulements turbulents dans les assemblages de REP
La production d'électricité grâce à l'énergie nucléaire constitue un pilier essentiel de la transition énergétique en raison de son faible impact carbone. Dans une démarche de constante amélioration de la sureté et des performances, l'établissement de nouvelles connaissances et de nouveaux outils sont nécessaires.
Les assemblages combustibles composants du cœur d’un réacteur font l’objet de différentes problématiques impliquant des phénomènes thermo-hydrauliques. On pourra citer les vibrations induites par écoulement, la transmission de puissance associée aux flux critiques ou encore les interactions fluide structure en cas de déformation d’assemblage ou d’excitation sismique. Dans toutes ces situations le comportement du fluide en proche paroi joue un rôle essentiel. L’utilisation de la CFD permet de simuler ces phénomènes avec pour objectif d’obtenir des outils prédictifs. Les besoins de validation expérimentale requis par les simulations réalisables aujourd’hui poussent les techniques de mesures classiques dans leur retranchement. Il existe aujourd’hui un besoin fort d’avoir des données expérimentales raffinées en temps et en espace sur des géométries complexes.
Ce projet de thèse propose de répondre à ce besoin en utilisant les dernières avancées en termes de mesures optiques dans les écoulements turbulents. En effet, grâce à la combinaison des techniques d’index matching, de caméra panoptique et de PTV (Particule Tracking Velocimetry) il est possible de mesurer le champ de vitesse dans un volume représentatif (environ 1 cm3) avec une densité spatiale de l’ordre de 10 micromètres et ainsi mesurer l’écoulement dans la couche limite en même temps que dans le canal hydraulique.
La thèse sera principalement réalisée au laboratoire d'hydromécanique LETH de l'Institut IRESNE (CEA Cadarache), et fera l'objet d'une collaboration avec le Thermo-Fluids Lab à l'Université de George Washington aux USA (mission sur place envisagée).
Ebullition nucléée au sein de substrats poreux : étude du couplage entre la composition du caloporteur et la vaporisation capillaire
Dans la recherche de la meilleure combinaison des énergies décarbonées pour faire face à l’enjeu du changement climatique, l’énergie nucléaire joue un rôle crucial en association avec les énergies renouvelables intermittentes. Dans ce contexte, la performance et la sûreté des réacteurs à eau pressurisés (REP) composant le parc français est un champ de recherche toujours actif et à forte valeur ajoutée.
Dans ces réacteurs, l’établissement d’un régime d’ébullition nucléée sous-refroidie est possible notamment lorsque la température locale du caloporteur devient supérieure à la température de saturation de ce dernier. Cette ébullition à la paroi favorise la formation de dépôts poreux d’oxydes métalliques. Au sein des porosités du dépôt, des germes gazeux peuvent être piégés et permettre l’apparition du phénomène d’ébullition nucléée sur ces surfaces. La vapeur formée selon un mécanisme de wick boiling, ou vaporisation capillaire, s’échappe ensuite par les cheminées du dépôt. La chimie du caloporteur considéré influence non seulement les propriétés thermodynamiques du fluide (température de saturation, chaleur latente), mais surtout ses propriétés interfaciales (tension de surface et angles de mouillage solide/liquide/gaz). Ces propriétés interfaciales contrôlent directement les forces capillaires en jeu dans les dépôts et donc le déclenchement et la dynamique de l’ébullition sous-refroidie. A ce jour, l’influence de la chimie du caloporteur sur le déclenchement et le développement de l’ébullition nucléée sous-refroidie au sein de surfaces chauffantes poreuses reste encore mal comprise. Ainsi, l’objectif de cette thèse est d’étudier de façon systématique l’influence couplée de la composition du caloporteur et de la vaporisation capillaire sur l’ébullition nucléée au sein de substrats poreux chauffés par conduction.
Dans ce travail de thèse, il est proposé de suivre une démarche expérimentale afin d’étudier l’influence de la chimie du caloporteur sur la tension de surface et sur l’angle de contact pour caractériser le mouillage par le fluide de substrats poreux idéalisés. Des essais d’ébullition convective sous-refroidie seront aussi réalisés avec une caractérisation du phénomène par ombroscopie et thermométrie à fibre optique.
La thèse se déroulera au sein des laboratoires de thermohydraulique du cœur et des circuits (LTHC) et de maîtrise de la contamination, de la chimie des caloporteurs et du tritium (LMCT) du CEA IRESNE (Cadarache, France). L’étudiant(e) mènera ses travaux sous la direction du Pr. Benoit Stutz de l'Université Savoie-Mont-Blanc. Lors de ce projet de recherche, le doctorant pourra développer ses compétences dans le domaine de la physico-chimie des interfaces et de la thermohydraulique diphasique, par l’observation, la caractérisation et la modélisation de phénomènes multi-physiques complexes.