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.
Mobilité des dislocations dans les alliages à haute entropie cubiques centrés
Les alliages à haute entropie sont des solutions solides monophasées multi-composants, tous présents en forte concentration. Cette classe de matériaux présente des améliorations significatives en termes de propriétés mécaniques par rapport aux alliages "classiques", et en particulier leur résistance élevée à haute température. Il est communément admis que les bonnes performances mécaniques proviennent des interactions des dislocations avec les éléments d'alliage, et qu’à haute température les impuretés ou dopants de nature interstitielle, comme l’oxygène, le carbone ou l’azote, jouent un rôle prépondérant. L’étude de la plasticité des alliages concentrés de structure cristalline cubique centrée dans le domaine des hautes températures constitue donc l’objectif de cette thèse. Les enjeux technologiques associés sont importants, ces alliages étant des matériaux de structure prometteurs, notamment pour les applications nucléaires où des températures de fonctionnement au-delà de l’ambiante sont visées.
Cette thèse s’attachera à comprendre et modéliser les mécanismes physiques contrôlant la tenue mécanique de ces alliages à haute température, en considérant différents alliages concentrés de complexité croissante, et en s’appuyant sur des outils de simulations atomiques, en particulier des codes de structure électronique ab initio. Nous nous focaliserons d’abord sur l’alliage binaire MoNb avant d’étendre aux alliages ternaires MoNbTi et MoNbTa, et d’étudier l’impact des impuretés d’oxygène sur le comportement plastique de ces alliages. Nous modéliserons les coeurs de dislocation et analyserons leur interaction avec les éléments substitutionnels et interstitiels afin de déterminer les barrières d’énergie contrôlant leur mobilité. Sur la base de ces résultats ab initio, nous développerons des modèles de durcissement permettant notamment de prédire la limite élastique en fonction de la température et de la composition de l’alliage.
Ce travail s’effectuera dans le cadre du projet DisMecHTRA financé par l’Agence Nationale de la Recherche, ce qui permettra en particulier de confronter nos modèles de durcissement aux données issues des expériences prévues dans le projet (essais mécaniques et microscopie électronique à transmission) et qui seront réalisées par les autres partenaires (CNRS Toulouse et Thiais). La thèse, hébergée au CEA Saclay, sera co-encadrée par une équipe du CEA Saclay et de MatéIS (CNRS, Lyon).
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.
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).
Propriétés physico-chimiques des verres photovoltaïques (PV) contenant de l'antimoine (Sb)
La thèse proposée s’inscrit dans le cadre du projet ANR GRISBI (2026-2030), qui vise à optimiser le recyclage du verre présent dans les panneaux photovoltaïques. Ces verres, très majoritairement fabriqués en Chine, sont dopés en oxyde d’antimoine (Sb2O3) afin de garantir une bonne transparence du verre, tout en minimisant les coûts de production. Cependant, cet antimoine empêche le recyclage de ces verres dans l’industrie européenne du verre plat, qui aurait pourtant besoin de cet apport de matière secondaire pour réduire son impact environnemental, entre-autres ses émissions de gaz à effet de serre (cf. l’objectif de neutralité carbone fixé par les Accords de Paris en 2015). Afin de rendre possible le recyclage du verre PV dans l’industrie du verre plat, il est donc nécessaire de mieux comprendre les propriétés physico-chimiques de l’antimoine dans le verre, et plus généralement dans le procédé float, qui met en jeu une interface verre chaud / étain liquide.
L’enjeu de la thèse réside ainsi dans la détermination des équilibres redox entre les différentes espèces multivalentes présentes dans les verres PV, en particulier entre les couples Sb2O3/Sb et Fe2O3/FeO. L’étude consistera donc à élaborer des verres présentant différentes teneurs en Sb2O3, puis à déterminer les mécanismes d’incorporation de l’antimoine dans les verres, ainsi que les conditions de température et de pO2 conduisant à la réduction de Sb3+ en Sb0. Les résultats expérimentaux, basés sur des caractérisations matériaux de type MEB, DRX, EXAFS, XANES, permettront de compléter les bases de données thermodynamiques, et de proposer une méthodologie permettant le recyclage des verres PV dopés à l’antimoine dans la production de verre plat.
La thèse se déroulera au CEA Marcoule, en collaboration avec l’IMPMC (Sorbonne Université), deux laboratoires dont les expertises dans le domaine des matériaux vitreux sont reconnues à l’international. L’ensemble des travaux sera réalisé sur des verres élaborés par le(la) doctorant(e), et leur caractérisation s’appuiera principalement sur les outils disponibles au sein du CEA et de l’IMPMC. Un profil en Sciences des Matériaux est recherché. Le sujet permettra au doctorant de pouvoir valoriser in fine un parcours de recherche appliquée.
Modélisation numérique de la déchirure ductile sur de longues distances en vue de quantifier les marges des méthodes d’ingénierie
La prédiction des modes de ruine des structures métalliques est une étape essentielle de l’analyse de fonctionnement des composants industriels où des éléments mécaniques sont soumis à des sollicitations importantes (par exemple composants des centrales nucléaires, pipelines, éléments structurels d’aéronefs …). Pour procéder à de telles analyses, il est essentiel de simuler correctement le comportement d’un défaut en régime ductile, c’est-à-dire en présence d’importantes déformations plastiques avant et durant la propagation.
La simulation numérique prédictive de la déchirure ductile est encore une problématique scientifique et technique ouverte malgré des progrès importants réalisés ces dernières années. L’approche dite locale de la rupture, notamment le modèle de Gurson (et sa version modifiée GTN), est largement utilisée pour modéliser la déchirure ductile.Mais son utilisation présente des limites : temps de calcul importants, arrêt de simulation suite à la présence d‘éléments complétement endommagés dans le modèle et non-convergence du résultat lorsqu’on diminue la taille des mailles.
Cette thèse a pour but de faire évoluer le modèle de simulation de déchirure ductile utilisé au LISN, pour l'appliquer aux grandes propagations de fissures sur structures complexes. Et de comparer les résultats obtenus avec les méthodes d'ingénieries qui sont plus simples à mettre en œuvre.
Vers des plateformes microfluidiques automatisées et reconfigurables pour l'étude et le développement de procédés de traitement/recyclage du combustible nucléaire
L’objectif principal de ce travail de thèse est la conception et le développement d’une première plateforme microfluidique automatique et reconfigurable, dédiée à la recherche et au développement pour le cycle du combustible nucléaire. Dans un contexte où la maîtrise des procédés nucléaires reste un enjeu essentiel, tant pour la production d’énergie que pour la gestion durable des matières nucléaires, les dispositifs microfluidiques apparaissent comme une voie particulièrement prometteuse. Ces laboratoires autonomes sur puce ont déjà démontré leur potentiel dans des domaines variés comme la chimie, la science des matériaux ou la biologie. Leur adaptation aux procédés nucléaires permettrait de réduire les risques d’exposition aux rayonnements, de limiter la production de déchets et d’optimiser les ressources en multipliant les expériences, de manière sûre, rapide et reproductible. Depuis une dizaine d’années, le DMRC mène des études phénoménologiques sur les principales étapes du procédé (dissolution, extraction par solvant, précipitation, etc.) en utilisant des dispositifs microfluidiques. Il a également développé des PhLoCs (Photonic-Lab-on-Chips), permettant de miniaturiser plusieurs techniques analytiques (spectroscopie UV-Vis, LES, holographie, etc.) et d’assurer un suivi en ligne des phénomènes étudiés. Cependant, aucune plateforme véritablement autonome et totalement automatisée ne permet aujourd’hui de combiner procédés et suivi analytique intégré.
L’objectif de la thèse est donc de franchir ce cap en concevant un dispositif modulaire, où plusieurs puces fonctionnelles pourront être associées pour réaliser à la fois des étapes du procédé (par ex. la séparation uranium/plutonium) et des mesures en ligne, dans une configuration flexible et adaptée aux environnements nucléaires. En parallèle, de nouvelles techniques instrumentales (FTIR, UV-Vis-NIR, etc.) seront intégrées directement sur puce, afin d’étudier des étapes critiques comme la dégradation des solvants. Ce projet ambitionne ainsi de poser les bases de plateformes microfluidiques de nouvelle génération, alliant sûreté, modularité et performance au service de la recherche nucléaire. À l’issue de cette thèse, le candidat aura développé une expertise unique en microfluidique appliquée aux procédés nucléaires, combinant instrumentation optique et automatisation. Ces compétences ouvriront des perspectives solides dans la recherche et l’ingénierie des procédés innovants.
Simuler l’altération du verre dans son environnement : développement d’un module autonome pour le couplage avec les codes de transport réactif.
Dans le cadre de l’utilisation durable et sûre de l’énergie nucléaire au sein d’un mix énergétique décarboné répondant à l’urgence climatique, la maîtrise de l’inventaire en déchets radioactifs est une question prioritaire. L’altération des verres nucléaires conditionne alors directement l’évaluation à long terme de la sûreté des stockages géologiques de ces déchets. Comprendre et simuler ces processus représente donc un enjeu scientifique, industriel et sociétal majeur. Les modèles existants, tels que GRAAL2 [1] développé par le CEA, permettent de simuler et prédire des mécanismes de passivation occurrents à l’échelle nanométrique transposés à l’échelle mésoscopique via des lois cinétiques mésoscopique utilisées dans les codes de transport réactif (CTR).
Cette thèse vise à développer un module verre (MV) autonome sur la base du modèle GRAAL2, capable de calculer, l’altération du verre et de s’interfacer avec différents CTR (HYTEC, CRUNCH…). Les objectifs principaux sont : (i) concevoir et implémenter le MV sur la base d’un module cinétique robuste, (ii) développer un coupleur assurant les échanges d’informations avec le CTR, (iii) définir et réaliser des campagnes de validation numérique sur des cas tests de référence pour le MV et le coupleur, et (iv) conduire des analyses de sensibilité et d’incertitude afin d’identifier les paramètres déterminants dans un contexte de modélisation multi-matériaux (verre, fer, argile).
La thèse se déroulera dans le Laboratoire de Modélisation des Transferts dans l’Environnement de l'Institut IRESNE (CEA, site de Cadarache, Saint Paul les Durance). Le sujet offrira à le ou la doctorante des compétences transverses en géochimie, couplage multiphysique et développement logiciel, ouvrant des débouchés tant dans la recherche académique que dans l’ingénierie nucléaire et environnementale.
Références :
[1] M. Delcroix, P. Frugier, E. Geiger, C. Noiriel, The GRAAL2 glass alteration model: initial qualification on a simple chemical system, Npj Mater Degrad 9 (2025) 38. https://doi.org/10.1038/s41529-025-00589-4.
Représentation des sections efficaces par décomposition sur une base d’ondelettes et solveur dédié
La résolution de l’équation de transport des neutrons de manière déterministe repose traditionnellement sur l’approximation multigroupe pour discrétiser la variable d’énergie. Le domaine énergétique est discrétisé au sens d’un maillage à une dimension, dont les éléments de volume sont nommés « groupes » en neutronique, à l'intérieur desquels toutes les grandeurs physiques (telles que le flux, les sections efficaces, les taux de réaction, etc.) sont projetées avec des fonctions constantes par morceau. L'homogénéisation des sections efficaces, qui sont les données d'entrée de l'équation de transport, est complexifiée en présence de noyaux dits "résonants" (leurs sections efficaces varient très rapidement de plusieurs décades), et doit faire l'objet d'un traitement à la volée coûteux en ressources numériques pour améliorer la précision de la résolution de l'équation de transport.
L'objectif de cette thèse est de s’affranchir, dans le domaine résonant en énergie, du découpage en groupes d’énergie grâce à une projection de Galerkin de l’équation continue en énergie sur une base orthonormale d’ondelettes. Ce travail de thèse devra permettre de mettre au point une méthode d’expansion générique adaptée au traitement d’un mélange d’isotopes résonants (pré-processing des sections efficaces, choix de la base et de la méthode de troncature des coefficients, etc). Le candidat développera un solveur de neutronique dédié, en réfléchissant à une implémentation algorithmique efficace exploitant des techniques de programmation avancées adaptées aux architectures de modernes (GPU, Kokkos). Les travaux de cette thèse feront l'objet d'une valorisation scientifique grâce à des publications dans des revues internationales à comité de relecture et à la participation à des conférences.
Modélisation de la propagation de fissure en fatigue en présence de contraintes résiduelles – Amélioration de la méthode G-theta
Les contraintes résiduelles sont des champs de contraintes auto-équilibrées que l’on retrouve dans certains composants mécaniques en l’absence de chargement extérieur. Dues au soudage, par exemple, ces contraintes peuvent potentiellement avoir un effet sur le comportement de la structure et sur sa résistance à la rupture. Lorsque l’on doit justifier de l’intégrité d’un composant mécanique, dans le cadre d’une démonstration de sûreté dans le nucléaire, il est impératif de connaître précisément le rôle de ces champs de contrainte sur la résistance du composant. Dans le cas de la propagation de fissure en fatigue, pour modéliser avec précision tous les phénomènes en jeu (redistribution des contraintes, évolution de la plasticité, effet de fermeture), il sera nécessaire d’améliorer les outils numériques, comme les méthodes de maillage et propagation de fissure (AMR, X-FEM…) et l’interpolation de l’intégrale J en cas de fissure débouchantes (méthode Gtheta). La thèse comportera deux volets complémentaires : (a) le développement numérique visant l’amélioration de la méthode Gtheta dans Castem associée à une modélisation de la propagation de fissure en 3D avec AMR et (b) la poursuite des essais applicatifs de propagation de fissure en fatigue dans différentes configurations de contraintes résiduelles.