Vers une nouvelle approche itérative pour la modélisation efficace du contact mécanique
Dans le cadre de la modélisation et de la simulation du comportement des combustibles nucléaires des différentes filières de réacteurs, l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE) du CEA Cadarache, en partenariat avec différents acteurs industriels et académiques,développe la plateforme logicielle de simulation du comportement des combustibles PLEIADES. Dans ce contexte, l’interaction entre le combustible et sa gaine, 1ère barrière de confinement, est un phénomène indispensable pour la compréhension et la prédiction du comportement des éléments combustibles.
La modélisation et la simulation numérique des phénomènes de contact mécanique constituent un enjeu scientifique et technologique majeur en mécanique des solides, en raison de la complexité intrinsèque du problème, liée à son caractère fortement non linéaire et non régulier.
Pour pallier les limites des approches classiques, telles que la pénalisation ou les multiplicateurs de Lagrange, de nouvelles stratégies de résolution du contact, reposant sur des schémas itératifs de type point fixe, sont actuellement à l’étude au CEA. Ces approches présentent plusieurs atouts : elles évitent la résolution directe de systèmes complexes et mal conditionnés, améliorent significativement l’efficacité numérique, et offrent une très faible sensibilité aux paramètres algorithmiques, ce qui les rend particulièrement adaptées aux environnements de calcul haute performance (HPC).
L’objectif de la thèse est d’étendre ces stratégies à des situations plus complexes et représentatives, en prenant en compte des comportements matériaux non linéaires et en intégrant des lois de contact plus élaborées, telles que le frottement. Selon l’avancement des travaux, la dernière phase portera sur la transposition des développements dans un environnement de calcul haute performance (HPC), en s’appuyant sur un solveur éléments finis parallèle.
Le projet bénéficiera d’une expertise reconnue à l’international en mécanique, en mathématiques appliquées, et en simulation des combustibles nucléaires avec des encadrants au sein du CEA mais également des collaborations académiques externes (CNRS).
[1] P. Wriggers, "Computational Contact Mechanics", Springer, 2006. doi:10.1007/978-3-540-32609-0.
[2] V. Yastrebov, "Numerical Methods in Contact Mechanics", ISTE Ltd and John Wiley & Sons, 2013. doi: 10.1002/9781118647974
[3] I. Ramière and T. Helfer, “Iterative residual-based vector methods to accelerate fixed point iterations”, Computers & Mathematics with Applications, vol. 70, no. 9, pp. 2210–2226, 2015. doi: 10.1016/j.camwa.2015.08.025.
Comportement mécanique de cellules Li-Ion de quatrième génération, étude à l’échelle de la microstructure
La course à l’augmentation de la densité d’énergie des batteries Li-ion conduit à envisager des batteries à électrolyte non plus liquide mais solide. A cet égard, les électrolytes à base de soufre comme les argyrodites sont d’un grand intérêt du fait de leur conductivité ionique élevée et de leurs propriétés mécaniques permettant une mise en forme par simple pressage. Sous l’effet des cycles de lithiation /délithiation, les particules actives de silicium mélangées à cet électrolyte solide sont à l’origine de variations de volumes susceptibles d’endommager l’électrode et réduire la durée de vie. C’est pourquoi les batteries à électrolyte solide sulfure ne cyclent correctement que maintenues sous pression. L’objectif de ce travail de thèse est donc de modéliser ces phases de charge – décharge de la batterie à l’échelle de microstructures représentatives de ces nouvelles électrodes à électrolyte solide. A l’échelle des particules de silicium, le travail consistera à formuler un modèle de lithiation-délithiation en s’appuyant sur des travaux théoriques antérieurs et par comparaison aux données expérimentales disponibles. Puis des modèles 3D de microstructures d’électrodes constituées d’un électrolyte solide de type argyrodite et de particules de silicium seront établis en s’appuyant sur les caractérisations existantes (images MEB). Enfin sera mis en œuvre le modèle mécanique microscopique de lithiation - délithiation sur ces modèles de microstructures en étudiant en particulier les effets du chargement mécanique externe sur l’intensité des interactions mécaniques à l’échelle de la microstructure et les zones de localisation potentielles de l’endommagement. Ces résultats de simulation seront comparés aux mesures disponibles (mesures de déformations macroscopiques et locales).
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 les équipes du Laboratoire d'Innovation pour les Technologies des Energies nouvelles et les Nanomatériaux (LITEN) du CEA Grenoble.
Ce cadre permettra au doctorant d’évoluer dans un environnement scientifique stimulant et lui permettra de valoriser ses travaux de recherche, en France comme à l’étranger lors de conférences et de publications dans des revues à comités de lecture.
Etude de l’endommagement du combustible en conditions d’Accident par Insertion de Réactivité par chauffage laser: relation avec le relâchement des gaz de fission
Le chauffage par laser de haute-puissance est une technique expérimentale développée au sein du Département d’Etude du Combustible qui permet d’induire des transitoires thermiques sur des échantillons de céramiques nucléaires. Elle permet notamment de reproduire, à l’échelle du laboratoire, les conditions thermomécaniques représentatives d’une séquence incidentelle ou accidentelle, afin d’étudier des mécanismes de bases comme la fracturation ou fragmentation du combustible.
En effet, lors de certaines situations comme un transitoire thermique de type Accident par Insertion de Réactivité (RIA), la fragmentation (ou la sur-fragmentation) du combustible peut entraîner un relâchement des gaz de fission et, in fine, conduire à la rupture de la gaine du crayon combustible.
Ce type de transitoire est notamment caractérisé par une évolution spatio-temporelle complexe de la température au sein du combustible qui est difficilement reproductible à l’échelle du laboratoire. A ce jour, seules les techniques de chauffage par laser de haute-puissance permettent de reproduire les cinétiques de montées en température atteintes lors de ce type de transitoire et de reproduire les conditions thermo-mécaniques d’un RIA à l’échelle d’un échantillon manipulable en laboratoire.
Dans ce contexte, le sujet de thèse vise à fournir des données expérimentales relatives à la fragmentation et sur-fragmentation du combustible en conditions d’Accident par Insertion de Réactivité. Pour ce faire, l’étudiant devra améliorer et développer le banc expérimental existant et réaliser des expériences visant à reproduire les conditions thermo-mécaniques menant à la fragmentation du combustible. Une approche couplée expérimentation/modélisation sera nécessaire pour prédimensionner et interpréter au mieux les expériences. Les données obtenues permettront de valider les modèles de fragmentation développés au CEA et devront aussi permettre une projection de l’intégration de ces techniques expérimentales en cellule blindée.
La thèse sera menée dans un cadre collaboratif (CHAIRE MATLASE) entre le LAMIR (Laboratoire d’Analyse de la MIgration des Radioéléments) au sein de l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE) du CEA Cadarache et l’équipe ILM (Interaction Laser Matière) de l’Institut Fresnel de Marseille. Cette dernière apportera son expertise dans le domaine des interactions laser de forte puissance / matériaux et de l’instrumentation optique pour le développement du système et des diagnostics optiques complexes.
Ce cadre permettra au doctorant d’évoluer dans un environnement scientifique stimulant et lui permettra de valoriser ses travaux de recherche, en France comme à l’étranger lors de conférences et de publications dans des revues à comités de lecture.
[1]M. Reymond, J. Sercombe, L. Gallais, T. Doualle, and Y. Pontillon, ‘Thermo-mechanical simulations of laser heating experiments on UO2’, Journal of Nuclear Materials, vol. 557, 2021, doi: 10.1016/J.JNUCMAT.2021.153220.
[2]M. Reymond et al., ‘High power laser heating of nuclear ceramics for the generation of controlled spatiotemporal gradients’, J Appl Phys, vol. 134, no. 3, p. 33101, Jul. 2023, doi: 10.1063/5.0146541.
[3]Hugo Fuentes et al., ‘Numerical and experimental simulation of nuclear fuel fragmentation via laser heating of ceramics’, TopFuel 2024. Accessed: Oct. 02, 2025. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/386167297_Numerical and experimental simulation of nuclear fuel via laser heating of ceramics
Modélisation multi-physique d’un réacteur nucléaire à eau légère fonctionnant en convection naturelle : étude de solutions innovantes pour le démarrage et le contrôle en puissance
Plusieurs concepts récents de Small Modular Reactors (SMR) à spectre thermique reposent sur une circulation de l’eau en convection naturelle dans le circuit primaire, en fonctionnement normal et accidentel, pour augmenter la sûreté intrinsèque. L’absence de pompes primaires dans ce genre de SMR complique singulièrement les phases de démarrage et de montée en puissance, ce qui conduit à développer des procédures spécifiques de démarrage pour chauffer l’eau du circuit primaire et permettre au réacteur d’atteindre son état nominal de fonctionnement dans le respect des exigences de sûreté. L’établissement de telles procédures nécessite des simulations au moyen de modèles validés afin de bien comprendre le comportement du réacteur dans ces phases et de délimiter le domaine paramétrique accessible.
L’enjeu de la thèse est de développer un modèle numérique capable de simuler le démarrage et la montée en puissance d’un SMR fonctionnant en convection naturelle et de fournir des éléments de validation du modèle. Le travail de thèse vise aussi à proposer une méthodologie d’optimisation des systèmes de pilotage du réacteur pour permettre un démarrage rapide dans le respect des critères de sûreté.
La problématique du démarrage fait intervenir deux disciplines : la neutronique et la thermohydraulique, ce qui demande la mise en œuvre d’une modélisation multi-physique couplée. En particulier, trois outils de calculs seront couplés lors de la thèse : CATHARE3 (thermohydraulique système), FLICA5 (thermohydraulique cœur), et APOLLO3 (neutronique).
Le doctorant sera positionné au sein d’équipes de neutroniciens et thermohydrauliciens de l'institut IRESNE (CEA Cadarache). Il développera des compétences en physique et modélisation des réacteurs nucléaires.
Simulation de l’amorçage et de la propagation de la fissuration dans des matériaux hétérogènes aléatoires
Ce sujet de thèse s’intéresse à la fissuration des combustibles nucléaires à l’échelle de la microstructure, phénomène essentiel à comprendre pour modéliser le comportement des matériaux sous irradiation. En effet, l’amorçage et la propagation de fissures peuvent entraîner le relâchement de gaz de fission et la formation de fragments susceptibles de déplacer la matière fissile. Les modèles industriels actuels reposent sur des représentations simplifiées de la microstructure poreuse, et des critères de rupture empiriques, ce qui limite leur précision physique et leur validation par effets séparés.
Pour dépasser ces limites, le travail de thèse proposé consiste à s’appuyer sur des approches multi-échelles et des simulations par éléments finis en calcul parallèle haute performance (HPC). Les objectifs principaux sont d’arriver à définir un Volume Élémentaire Représentatif (VER) pour l’amorçage de la fissuration dans des matériaux à porosité aléatoire, améliorer les critères de rupture utilisables dans les codes de calculs et définir leurs incertitudes, et enfin établir le domaine de validité pour l’analyse de la propagation dans le VER.
Le premier axe de recherche consiste à définir rigoureusement la taille du VER à partir de grandeurs locales comme la contrainte principale maximale. Des méthodes de réduction de variance seront utilisées pour optimiser le nombre de calculs nécessaires et estimer les erreurs associées.
Dans un second temps, les simulations réalisées pour déterminer le VER serviront à améliorer les modèles opérationnels. L’approche cherchera à séparer l’effet mécanique d’une bulle isolée de celui des interactions entre bulles voisines. Des techniques de Machine Learning pourront être utilisées pour développer ce nouveau modèle. La validation s’appuiera sur des mesures indirectes de la fissuration, comme le relâchement gazeux observé lors de recuits thermiques, notamment pour des combustibles à haut taux de combustion (HBS), où les modèles classiques échouent à prédire la cinétique de fissuration.
Enfin, la propagation des fissures à l’intérieur du VER sera étudiée par des simulations 3D de type champ de phase, permettant de représenter finement les différentes étapes de propagation post-amorçage. L’influence des conditions aux limites du VER sera examinée par comparaison à des simulations sur des domaines plus larges.
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), dans l’équipe de développement de la plateforme numérique PLEIADES, spécialiste de la simulation du comportement du combustible et des méthodes numériques multi-échelles. Elle sera réalisée en collaboration avec le CNRS/LMA dans le cadre du laboratoire commun MISTRAL, notamment sur les aspects analyse de la représentativité du milieu aléatoire et simulation micromécanique de la propagation des fissures.
Etude et modélisation de la spéciation du tritium issu du dégazage des déchets tritiés
Le tritium, isotope radioactif de l'hydrogène, est utilisé comme combustible pour la fusion nucléaire, notamment dans le réacteur de recherche ITER, en construction à Cadarache. Sa petite taille lui permet de diffuser facilement dans les matériaux, ce qui entraînera, après la phase d’exploitation d'ITER, la production de déchets contenant du tritium.
Pour optimiser la gestion de ces déchets tritiés, le CEA développe des solutions technologiques visant à extraire et recycler le tritium, ainsi qu'à limiter sa migration vers l'environnement. L'efficacité de ces solutions dépend en grande partie de la forme chimique sous laquelle le tritium est libéré. Les retours d’expérience sur le dégazage du tritium provenant de différents types de déchets montrent qu'il se libère sous deux formes chimiques principales : l’hydrogène tritié (HT) et la vapeur d’eau tritiée (HTO), dans des proportions variées.
Cependant, les mécanismes qui déterminent la répartition du tritium entre ces deux espèces ne sont pas bien compris. Plusieurs facteurs, comme les concentrations en oxygène et en eau, la nature et l'état de surface des déchets, ainsi que la concentration en tritium, peuvent influencer cette spéciation.
Les objectifs de cette thèse sont donc les suivants :
- Identifier les phénomènes affectant la spéciation du tritium lors du dégazage des déchets tritiés.
- Mener une étude expérimentale pour vérifier les hypothèses formulées.
- Développer un modèle numérique pour prédire les proportions d'HT et HTO relâchées, afin d'optimiser la gestion de ces déchets.
La thèse sera réalisée au sein de l’Institut IRESNE (Institut de Recherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d’Énergie bas carbone) sur le site du CEA à Cadarache, dans un laboratoire spécialisé dans l’étude du tritium. Le doctorant évoluera dans un environnement scientifique stimulant et pourra valoriser ses travaux de recherche. Le(a) candidat(e) doit être titulaire d'un diplôme d'ingénieur ou d'un master 2 en Génie Chimique, Génie des procédés ou Chimie.
Modélisation du flux d’imbibition en accident grave par expérimentation à effets séparés
L’énergie nucléaire est un des piliers de la transition énergétique car elle est faiblement carbonée. Elle nécessite des études de sûreté poussées, en particulier sur le sujet des accidents nucléaires graves hypothétiques. Ces scénarios postulent la fonte du cœur et la formation d’un corium (magma de matériaux radioactifs fondus). La compréhension du comportement du corium est un élément clef de la sûreté.
A l’institut IRESNE du CEA Cadarache, l’installation MERELAVA permet d’étudier une stratégie de mitigation d’accident par aspersion du corium par le haut. Un bain de corium prototypique (comprenant de l’uranium appauvri) est refroidi par aspersion d’eau, dans des conditions réalistes. Ce dispositif permet d’étudier les interactions complexes entre le corium, l’eau et le béton sacrificiel situé dessous.
Dans ce cadre, le phénomène d’imbibition joue un rôle central dans le refroidissement du corium. Lors de l’aspersion, la croûte solidifiée se fissure, l’eau s’infiltre dans le réseau de fissures et s’évapore, ce qui augmente significativement le flux de chaleur extrait par rapport à un mécanisme de conduction. Pourtant, les modèles actuels décrivent mal ce mécanisme et peinent à prédire son impact ; en raison notamment du caractère fortement multi-physique du phénomène.
Cette thèse vise à étudier l’imbibition via des expériences dédiées sur MERELAVA qui permettront de caractériser la croûte formée et en mesurant le flux d’imbibition sur matrices imprimées en 3D représentatives. L’objectif est d’améliorer le modèle physique existant, dont les résultats seront comparés à des données expérimentales complexes. La thèse se déroulera au Laboratoire d’études et d’expérimentation pour les accidents graves de l’institut IRESNE (CEA Cadarache). Le candidat devra maîtriser la mécanique des fluides et la thermique.
Quel couplage mécanique-thermique pour les transitoire rapides ? Evaluation des apports de la Thermodynamique des Processus Irréversibles
Le Laboratoire d'Analyse de la MIgration des Radioéléments (LAMIR) au sein de l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires (IRESNE) du CEA Cadarache a développé un ensemble de méthodes de mesure pour caractériser le relâchement des produits de fission hors du combustible nucléaire lors d'un transitoire thermique. Pour ces transitoires, il est important de simuler les sollicitations mécaniques associées aux variations de température qui peuvent générer la fracturation des échantillons de combustible testés. Dans cette thèse on s'intéresse à la modélisation de transitoires de puissance accidentels hypothétiques très rapides. L'objectif de la thèse sera de mettre en œuvre une nouvelle modélisation basée sur la thermodynamique des processus irréversibles (TPI).
La première partie de la thèse consistera à conforter l'écriture du couplage thermomécanique en TPI, qui a été proposée dans notre laboratoire (https://www.mdpi.com/2813-4648/3/4/33). Il s'agira là d'une approche essentiellement analytique pour mettre en place les ordres de grandeurs des différents mécanismes mis en jeu. La seconde partie consistera à appliquer ce formalisme à des résultats expérimentaux obtenus lors d'expériences de chauffage rapide avec des faisceaux laser. Une des difficultés de la simulation numérique avec la TPI consiste à calculer simultanément les champs de température et de contrainte , et non plus successivement comme c'est le cas dans les modélisations actuelles. On commencera par une programmation 1D (sous python ou autre)que l'on améliorera au fur et à mesure. La comparaison des résultats obtenus par TPI et par la modélisation actuelle permettra d'identifier les situations où il est nécessaire de prendre en compte les couplages spécifiques à la TPI pour avoir une prédiction de bonne qualité.
Le thésard bénéficiera du soutien d'experts en thermodynamique, en mécanique et en programmation. Ses travaux donneront lieu à des publications scientifiques présentées à des conférences. De part la diversité des domaines concernés, ce sujet de thèse est une bonne ouverture pour un futur professionnel tant dans l'industrie que dans la recherche académique.
Simulation numérique des interactions fluide-structure avec contact sous écoulement via une méthode Penalized Direct Forcing
Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre de l’étude de la dynamique des assemblages combustibles soumis à un écoulement axial et à une excitation mécanique externe, notamment de type sismique. L’objectif est de développer une approche numérique innovante permettant de prédire avec précision la réponse dynamique d’un ou plusieurs assemblages en trois dimensions, en tenant compte des effets couplés entre l’écoulement du fluide et les sollicitations mécaniques. Ce problème est particulièrement complexe en raison de la nécessité de prendre en compte des déplacements importants, des contacts éventuels entre structures et des interactions fortes avec le fluide environnant.
Thermorégulation diphasique pour les composants semiconducteurs Ultra Grand Gap en diamant
Cette thèse porte sur l’étude d’un système de thermorégulation diphasique pour composants à semiconducteur de puissance ultra grand gap en diamant. Les composants en diamant ayant la particularité d’avoir leur résistance à l’état passant qui diminue lorsque la température augmente, cette thermorégulation vise à optimiser les pertes globales du système ainsi que d’assurer un équilibrage des températures ainsi que des contraintes entre plusieurs composants en diamant en parallèle.
Basé sur un cahier des charges qui sera défini en début de thèse (calories à évacuer, plage de température à réguler), le doctorant aura pour objectif de :
- définir une stratégie de contrôle de la température
- définir un couple matériau / fluide le mieux approprié
- Dessiner le système de thermorégulation
- Mettre en œuvre et valider expérimentalement le système proposé
La thèse abordera des aspects de simulations numérique (modélisation de composants et du système de thermorégulation) ainsi que des essais expérimentaux via la réalisation d’un prototype de TRL3-4 intégré à un système de convertisseur intégrant des diodes en diamant.
L’objectif final est de pouvoir mettre en avant un système innovant modélisé et démontré expérimentalement, où la stratégie de contrôle et les éléments dimensionnels et opératoires dimensionnants auront été investigués et optimisés.