Effet de la gravité sur l’agitation au sein d’un écoulement turbulent à bulles en canal
La compréhension des écoulements diphasiques et du phénomène d’ébullition représente un enjeu majeur pour le Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA) à la fois pour la conception et pour la sûreté des centrales nucléaires. Dans un Réacteur à Eau Pressurisée (REP), la chaleur dégagée par le combustible nucléaire est transférée à l’eau du circuit primaire. En situation accidentelle, l’eau du circuit primaire peut passer en régime d’ébullition nucléée, voire évoluer jusqu’à la crise d’ébullition. Si le phénomène d’ébullition fait l’objet de nombreuses études, la dynamique des bulles générées retient également une attention particulière au CEA. Cette thèse s’intéressera au couplage entre la turbulence générée par un écoulement cisaillé et l'agitation induite par les bulles. Son originalité réside dans l’étude de l’effet de la gravité, obtenue par l’inclinaison du canal, un paramètre susceptible de générer des régimes d’écoulement complexes.
Le travail, de nature expérimentale, s'appuiera sur le nouveau dispositif CARIBE du CEA Saclay. La mission du doctorant consistera à caractériser les différents régimes d’écoulement, puis à mener une étude détaillée de l’écoulement en mettant en place une métrologie spécifique (notamment Particule Image Velocymetry (PIV), anémométrie à film chaud, sondes optiques). Mené au sein du laboratoire LE2H, le projet bénéficiera d'une collaboration étroite avec le LDEL (CEA Saclay) et l’IMFT (Toulouse). Le doctorant évoluera dans un environnement dynamique avec d'autres doctorants et présentera ses travaux dans des conférences nationales et internationales.
Nous recherchons un(e) candidat(e) en mécanique des fluides avec un intérêt marqué pour l’expérimentation (stage M2 possible). Cette thèse offre l’opportunité de développer une expertise en instrumentation, analyse de données et écoulements diphasiques turbulents, des compétences très valorisées dans les secteurs de l'énergie, de l'industrie et de la recherche académique.
Modèle de microémulsion : Vers la prédiction des procédés d’extraction liquide-liquide
Cette thèse de modélisation multi-échelle vise à développer des approches théoriques et des outils numériques innovants pour prédire les procédés d’extraction des métaux stratégiques, indispensables à la transition énergétique. Parmi les méthodes existantes, l’extraction liquide-liquide est un procédé clé, mais ses mécanismes sous-jacents restent encore mal compris. Pour répondre à ces enjeux, les phases solvants seront représentées par des microémulsions, grâce à une synergie d’approches de modélisation mésoscopiques et moléculaires.
Le volet mésoscopique reposera sur le développement d’un code basé sur la théorie des microémulsions utilisant une base d’ondelettes aléatoires. Ce code permettra de caractériser les propriétés structurales et thermodynamiques des solutions. L’approche moléculaire s’appuiera sur des simulations de dynamique moléculaire classique pour évaluer les propriétés de courbure des extractants nécessaires au passage entre les deux échelles.
Le nouveau code de calcul performant intégrera potentiellement des techniques d’intelligence artificielle pour accélérer la minimisation de l’énergie libre du système, tout en prenant en compte l’ensemble des espèces chimiques présentes avec un minimum de paramètres. Cela ouvrira la voie à de nouvelles pistes de recherche, notamment à travers la prédiction de la spéciation et le calcul des instabilités thermodynamiques dans les diagrammes de phase ternaires, permettant ainsi d’identifier des conditions expérimentales encore inexplorées.
Cette thèse, menée au Laboratoire de Modélisation Mésoscopique et Chimie Théorique à l’Institut de Chimie Séparative de Marcoule, aura des applications dans le domaine du recyclage, mais également dans le domaine des nanosciences, élargissant ainsi l’impact de ces travaux.
Le/La doctorant(e), de formation initiale en chimie-physique, chimie théorique ou physique, et ayant un fort intérêt pour la programmation, sera encouragé(e) à valoriser ses résultats scientifiques par des publications et des communications lors de conférences nationales et internationales. A l’issue de la thèse, le/la candidat(e) aura acquis un large éventail de compétences en chimie théorique, modélisation, calcul numérique et chimie-physique, lui offrant de nombreuses opportunités professionnelles, tant en recherche académique qu’en R&D industrielle.
Couplage physico-chimique entre une population de bulles et l’oxydo-reduction d’un liquide formateur de verre
Le procédé de calcination-vitrification est la solution utilisée en France depuis plus de 30 ans pour le conditionnement des déchets nucléaires de haute activité issus du retraitement des combustibles usés. Au cours du procédé de vitrification, les déchets sont incorporés dans une fonte verrière borosilicatée à plus de 1000°C. La fonte est homogénéisée en température et composition par agitation et bullage de gaz. L’incorporation des déchets dans la fonte peut également conduire à des dégagements gazeux, dont ceux d’oxygène issus de réactions d’oxydo-réduction entre espèces dissoutes dans le liquide. Il est important de bien maîtriser l’impact de ces gaz sur le verre et le procédé.
L’état d’oxydo-réduction de la fonte à l’équilibre entre les espèces dissoutes a fait l’objet de différentes études au CEA dans le cadre la vitrification des déchets nucléaires. En revanche, peu d’études ont été consacrées à la cinétique de réaction des gaz dans la fonte. L’objectif de cette thèse vise à étudier et à modéliser l’impact des bulles de gaz, quelle que soit leur nature, sur le redox de la fonte et la cinétique des réactions associées. Une approche couplant l’expérimentation et la modélisation numérique sera adoptée.
Le candidat recherché aura un goût pour l’expérimentation, la caractérisation et l’interprétation de résultats abordant différents domaines scientifiques (physico-chimie des matériaux, électrochimie). L’ensemble des expériences seront conduites sur des éléments non radioactifs et impliqueront un traitement par modélisation numérique. Cette thèse lui permettra d'acquérir une expérience professionnelle valorisable dans le milieu des verres et du nucléaire.
Etude des mécanismes de formation de l’oxalate de plutonium – Application aux réacteurs à sels fondu
Les réacteurs à sels fondus (RSF) offrent une alternative prometteuse pour la production d’énergie nucléaire durable, grâce à leur sûreté intrinsèque et à leur capacité à fermer le cycle du combustible nucléaire, notamment via l’utilisation d’un spectre neutronique rapide. Ce type de réacteur peut utiliser des sels chlorures liquides contenant du plutonium et d’autres actinides comme combustible. Dans le cadre du développement de cette filière nucléaire, le CEA apporte son soutien au développement d’un procédé de production de PuCl3. La synthèse de ce chlorure a déjà été réalisée à petite échelle au CEA ainsi qu’ailleurs dans le monde. Plusieurs produits de départ peuvent être utilisés pour la synthèse du trichlorure, notamment le plutonium métallique, l’oxyde et l’oxalate de plutonium. La voie de synthèse la plus prometteuse industriellement est la voie oxalate, car elle est transposable aux équipements déjà présents sur le site de La Hague. Ce procédé consiste à transformer l’oxalate en chlorure de plutonium via une réaction gaz/solide avec un agent chlorant, comme le HCl par exemple. Cependant, le mécanisme réactionnel et la décomposition de l’oxalate en milieu chloré sont encore peu connus. Une connaissance approfondie de cette transformation permettrait d’optimiser les conditions opératoires et de faciliter la montée en échelle de cette synthèse. Le sujet se concentrera dans un premier temps sur la détermination du mécanisme de réaction de l’oxalate de Ce (simulant du Pu) en chlorure. Des études à petite échelle seront réalisées pour identifier les différents intermédiaires de la réaction, à l’aide de moyens analytiques tels que la DRX, l’ATG/ATD et l’analyse des gaz produits lors de la réaction. La cinétique ainsi que les variations d’enthalpie seront également étudiées afin d’obtenir des données clés pour la modélisation d’un procédé à grande échelle. Ensuite, une optimisation de la synthèse du PuCl3 à l’échelle de la dizaine de grammes sera réalisée. Ces études seront d’abord conduites en conditions inactives sur simulant, afin de valider l’approche expérimentale, avant d’être transposées en conditions actives.
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.
FRITTAGE EN PHASE LIQUIDE TRANSITOIRE DE PASTILLES DE COMBUSTIBLES UOX ET MOX
Le sujet est en rapport avec la fabrication des combustibles UOX et MOX. Le principal objectif est d'identifier des couples de dopants permettant de former une phase liquide transitoire lors de l'étape de frittage des combustibles. Pour cela des calculs de diagrammes de phases par la méthode CALPHAD devront être réalisés, en prenant également en compte les impératifs liés à la phase d'irradiation une fois le combustible chargé en réacteur. Les couples les plus prometteurs seront ensuite évalués dans le cadre de la fabrication d'un combustible UOX et d'un combustible MOX. Les expériences à réaliser seront essentiellement: la préparation d'une matière pulvérulente, la mise en forme par pressage de cette matière sous la forme de cylindres représentatifs de pastilles de combustibles et l'étude du frittage à haute température de ces cylindres de formulation UOX et MOX. Après frittage, une étape très importante sera la caractérisation à l'échelle macroscopique et microscopique de ces pastilles. La première année de la thèse se déroulera sur le centre CEA de Cadarache au sein de l'ICPE Laboratoire des Combustibles Uranium. Les deux suivantes se dérouleront au sein de l'INB Atalante sur le site CEA de Marcoule. Le candidat travaillera au sein de deux installations uniques en Europe et pourra développer une expérience sur le travail en milieu nucléaire avec une approche très novatrices qui permettra la publication de résultats scientifiques originaux.
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.
Interaction fluide-structure dans des mélanges : théorie, simulations numériques et expériences
Ce projet de doctorat s’inscrit dans le cadre de la recherche sur les interactions fluide-structure (IFS) dans des milieux complexes, notamment des mélanges fluides comportant plusieurs phases (liquide/liquide ou liquide/gaz) et/ou des particules en suspension. L’objectif est de développer une compréhension approfondie et multi-échelle des mécanismes couplés entre structures déformables (gouttes, interfaces, parois souples) et écoulements de mélanges complexes, en combinant modélisation théorique, simulations numériques avancées, et confrontation aux données expérimentales.
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.
Étude des solidifications locales dans un Réacteur à Sels Fondus
Dans un Réacteur à Sels Fondus (RSF), le combustible nucléaire se présente sous forme de sel liquide à haute température, qui est son propre caloporteur. Certains transitoires accidentels (sur-refroidissement du sel, fuite) peuvent causer des solidifications locales d'une partie du sel combustible. Ces solidifications ont un impact sur l'écoulement du sel dans le cœur, ainsi que son comportement neutronique, et peuvent mener à des échauffements locaux importants de parois. Ces transitoires sont encore peu étudiés, alors qu'ils ont un impact majeur sur la sûreté et le design d'un RSF.
L'objectif de la thèse est d'étudier différents transitoires accidentels qui peuvent mener à des solidifications locales, et d'étudier l'impact neutronique, thermique et thermo-hydraulique de ces solidifications sur les divers composants du cœur. Ces analyses seront menées en utilisant des outils multi-physiques adaptés aux RSF, tel que le code de CFD TrioCFD, ses extensions neutroniques TRUST-NK et de transport réactif Scorpio, ainsi que le code de neutronique déterministe APOLLO3. Afin de concilier précision et temps de calcul, plusieurs modélisations pourront être envisagées en fonction des transitoires étudiés : modélisation 1D / 3D turbulente (RANS, LES) pour la thermo-hydraulique, diffusion / transport SPn / transport Sn pour la neutronique.