Modélisation thermo-chemo-mécanique du frittage : effet de l’atmosphère et de la densification différentielle sur le retrait des pastilles
Les combustibles de dioxyde d’uranium (UO2), utilisés dans les centrales nucléaires sont des céramiques, dont le frittage en phase solide est une étape-clé de la fabrication. L’étape de frittage consiste en un traitement thermique sous pression partielle contrôlée de O2 permettant de consolider, densifier le matériau et faire grossir les grains de UO2. La densification induit un retrait macroscopique de la pastille. Si le compact (poudre comprimée par pressage avant le frittage) admet de fortes hétérogénéités de densité, une différence de densification dans la pastille peut avoir lieu entraînant un retrait différentiel et l’apparition de défauts.
Cette thèse se consacre à la mise en place d’un modèle thermo-chemo-mécanique du frittage pour simuler l’impact de la composition et les propriétés physiques de l’atmosphère sur la densification du combustible à l’échelle de la pastille. Cette échelle nous permettra de considérer les gradients de densité issus du pressage, mais également de prendre en compte la cinétique de diffusion d’oxygène impactant localement la vitesse de densification qui elle-même impactera le processus de transport. Une simulation multiphysique est nécessaire pour simuler le couplage de ces phénomènes.
Ce travail de thèse sera mené au sein du Laboratoire commun MISTRAL (Aix-Marseille Université/CNRS/Centrale Marseille et l'institut IRESNE du CEA-Cadarache). Le doctorant valorisera ses résultats au travers de publications et participations à des congrès et aura acquis de solides compétences qui sont recherchées et valorisables dans un grand nombre de domaines académiques et industriels.
Simulations multiphysiques avec estimation d’incertitudes appliquées aux réacteurs rapides refroidis au sodium
La modélisation multiphysique est essentielle pour l'analyse des réacteurs nucléaires, mais la propagation des incertitudes entre différents domaines physiques (comme les comportements thermiques, mécaniques et neutroniques) est souvent négligée en raison de sa complexité. Ce projet de thèse vise à relever ce défi en développant des méthodes innovantes pour intégrer la quantification des incertitudes dans les modèles multiphysiques.
L'objectif principal est de proposer des approches de modélisation optimales, adaptées à différents niveaux de précision. Le projet explorera des techniques avancées, telles que la modélisation d'ordre réduit et l'expansion du chaos polynomial, pour identifier et classer les paramètres d'entrée ayant l'impact le plus significatif sur les sorties du système, indépendamment de leur domaine physique. Une comparaison entre des modèles « haute fidélité », développés à l'aide des outils de simulation de référence du CEA, et des modèles « best-estimate » conçus pour un usage industriel sera réalisée. Cette analyse comparative mettra en lumière comment les erreurs se propagent dans les différentes approches de simulation.
Les modèles seront validés à l'aide de données expérimentales de SEFOR, un réacteur rapide refroidi au sodium. Ces expériences fournissent des repères précieux pour tester les modèles multiphysiques dans des conditions réalistes de réacteur. Ce projet répond directement au besoin croissant de l'industrie nucléaire pour des outils de modélisation fiables et efficaces, visant à améliorer la sécurité et la performance des réacteurs.
Le candidat évoluera dans un environnement dynamique au CEA, avec accès à des ressources de simulation avancées et des opportunités de collaboration avec d'autres chercheurs et doctorants. Le projet offre également la possibilité de présenter les résultats lors de conférences nationales et internationales, avec des perspectives de carrière solides dans la conception de réacteurs nucléaires, l'analyse de la sûreté et la simulation avancée.
mise en ordre de l’oxygène dans le zirconium : mécanismes, cinétiques et propriétés mécaniques associés
Ce travail de thèse à pour but d'étudier les propriétés des alliages binaires zirconium-oxygène (Zr-O), notamment dans le cadre des applications nucléaires. Traditionnellement, l'oxygène est considéré en solution solide dans la matrice de zirconium, sans formation de composés ordonnés comme Zr6O ou Zr3O. Cependant, des études récentes suggèrent qu’à des températures inférieures à 600°C, des composés ordonnés peuvent se former, affectant la limite de solubilité de l'oxygène. Ces composés, observés après des traitements thermiques, pourraient modifier les propriétés mécaniques des alliages Zr-O, en particulier à température ambiante et jusqu’à 350°C. La thèse proposée cherche à comprendre ces mécanismes à travers des expériences de diffraction des rayons X et de microscopie électronique, pour étudier l'arrangement de l'oxygène, la stabilité thermique des composés et leur impact sur la déformation plastique. Cela vise à optimiser l’utilisation de ces alliages dans les réacteurs nucléaires.
PREDICTION PAR LA SIMULATION DES VIBRATIONS DANS LES CENTRIFUGUESES
Les machines tournantes sont des équipements critiques dans de nombreuses installations industrielles et leur exploitation s’accompagne régulièrement de problèmes d’équilibrage qui occasionnent l’apparition de vibrations potentiellement dangereuses pour les opérateurs et les équipements. La décanteuse pendulaire centrifuge est parfois le siège de vibrations qui obligent l’exploitant à ralentir la cadence de production. L’environnement nucléaire dans lequel ces équipements sont exploités ne permet pas de réaliser les mesures et observations nécessaires à une étude purement expérimentale. L’objectif est donc de réaliser une modélisation à partir de données limitées afin d’amener à une compréhension fine des phénomènes en jeu. Le sujet de thèse se propose de coupler des simulations CFD de type Euler-Euler de la répartition de masse dans le bol tournant avec une modélisation masse-ressort des liaisons mécaniques afin de s’approcher des signaux vibratoires mesurés industriellement. Un tel outil numérique serait une aide précieuse pour explorer les diverses pistes, sources potentielle d’apparition d’un déséquilibre de masse, et cela sans avoir à passer par une reproduction expérimentale. Associé à des méthodes de deep learning, ce type de modèle permettrait aussi de bâtir un prédicteur de balourds à partir de courts signaux vibratoires ouvrant la porte à un pilotage actif de la décanteuse.
Conception et optimisation d'un concept innovant de couverture tritigène pour réacteur à fusion nucléaire compact à haut flux de chaleur
Compétences :
Techniques : thermique, mécanique des structures, hydraulique, matériaux, simulation numérique
Non technique : rédaction, relationnel, anglais
Prérequis :
Cette thèse sera précédée d’un stage de 6 mois. Contacter l’encadrant pour découvrir le sujet.
Contexte :
Cette thèse porte sur la conception et l'optimisation d'une couverture tritigène innovante pour les réacteurs de fusion nucléaire compacts. La fusion nucléaire offre une solution prometteuse pour produire une énergie propre et durable. Cependant, elle nécessite la production continue de tritium, un isotope rare, à partir de couvertures tritigènes entourant le plasma. Ces couvertures doivent également extraire la chaleur générée. Dans les réacteurs compacts, les contraintes techniques sont accrues par des flux de chaleur et des sollicitations thermiques et neutroniques très élevés.
La thèse se déroulera au sein du Bureau de Conceptions, Calculs et Réalisations du CEA Saclay, un acteur reconnu concernant le développement de couvertures tritigènes à l’échelle européenne. Ce bureau a conçu plusieurs concepts, tels que le HCLL (Helium Cooled Lithium Lead) et le BCMS (Breeder and Coolant Molten Salt), deux types de couvertures basées sur des systèmes de refroidissement à l'hélium ou aux sels fondus.
Description de la thèse :
Le programme de recherche se déroulera sur trois ans. La première année sera dédiée à l'étude des couvertures existantes, à l'identification des contraintes des réacteurs compacts, à la sélection de matériaux et fluides caloporteurs adaptés, et à la conception préliminaire du modèle. Les années suivantes seront consacrées à la modélisation multiphysique (thermique, mécanique, neutronique), suivie de l'optimisation itérative du concept pour améliorer ses performances.
Perspectives :
Les résultats de cette thèse auront un impact significatif sur le développement des réacteurs de fusion compacts, en garantissant la production de tritium et l’intégrité des structures. Ce travail pourrait également ouvrir des perspectives pour des recherches futures sur des couvertures tritigènes encore plus avancées, contribuant à l'essor d'une énergie de fusion durable et commercialement viable.
Etude des mécanismes d’altération des combustibles irradiés de type MOX en présence de matériau cimento-bentonitique (MREA). Approche expérimentale et modélisation
En France, la solution de référence est le retraitement du combustible irradié et la valorisation de certaines matières comme l’uranium et le plutonium au travers la fabrication du combustible MOX et son recyclage. Cependant, le stockage direct des combustibles (UOX et MOX) en couche géologique profonde est également étudié afin de s’assurer que les concepts de stockage français (Cigéo) sont compatibles avec le combustible irradié comme demandé et inscrit dans le Plan National de Gestion des Matières et des Déchets Radioactifs (PNGMDR). A ce titre, il est essentiel d’étudier les mécanismes d’altération de la matrice des combustibles irradiés en présence de matériaux d’environnement se rapprochant, à l’échelle du laboratoire, du concept actuel de stockage des déchets radioactifs en couche géologique profonde : alvéoles HA creusées dans l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx) dont le chemisage en acier faiblement allié est isolé de l’argilite par un coulis cimento-bentonitique appelé MREA (Matériau de Remplissage de l’Espace Annulaire de l’alvéole). Les objectifs sont multiples : d’une part déterminer quel est l’impact de l’environnement sur les mécanismes d’altération de la matrice du combustible ainsi que sur les relâchements en radionucléides, et d’autre part développer une modélisation géochimique permettant de rendre compte des principaux processus physico-chimiques impliqués. Ces études sont menées au sein de l'installation ATALANTE (DHA) du CEA Marcoule, ou les expériences de lixiviation et les caractérisations des combustibles MOX sont réalisables.
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).
Le système Pd-Rh-Ru-Te-O dans les verres nucléaires et son impact sur les propriétés de conductivité de la fonte
En France, les déchets nucléaires de haute activité sont vitrifiés et forment un matériau vitreux homogène. Cependant, les éléments Pd, Rh et Ru, associés ou non à du Te et de l’O, sont très peu solubles dans le verre et forment des particules dans la fonte et dans le verre.
Le rhodium et le ruthénium peuvent se réduire à l’état métallique lors de l’élaboration des verres. Ils sont alors plus conducteurs et leurs effets sur les propriétés physiques de la fonte peuvent affecter le pilotage industriel du procédé de vitrification. De fait, la connaissance de la spéciation et de la morphologie des éléments du système Pd-Rh-Ru-Te-O est essentielle pour la bonne maîtrise du procédé.
Pour cela, cette thèse sera découpée en 2 approches interdépendantes : une approche par calculs thermodynamique Calphad et une approche expérimentale. L’approche expérimentale aura pour but de comprendre et de quantifier les phénomènes de réduction de (Ru,Rh)O2 et la solubilisation de Ru et Rh dans Pd-Te via des élaborations et des caractérisations (MEB-EDS-WDS, DRX,...) de verres avec platinoïdes. Les résultats acquis permettront d’enrichir une base de données Calphad servant à prédire l’état des platinoïdes dans la fonte verrière lors de l’élaboration à l’échelle industrielle. Dans un second temps, des essais de conductivité électrique haute température seront menés sur les verres précédemment élaborés afin de relier la spéciation de Ru et Rh avec la conductivité électrique des fontes.
Les candidats devront être rigoureux, autonomes et posséder des bonnes capacités de communication et de rédaction. Des connaissances et expériences dans le domaine des verres ou de la thermodynamique seront un plus.
Conception et Optimisation d'un Procédé Innovant pour la Capture du CO2
Dans une enquête réalisée en 2023 par la BEI, deux tiers des jeunes français ont affirmé que l’impact climatique des émissions de leur potentiel futur employeur est un facteur important au moment de choisir un emploi. Mais pourquoi s’arrêter là quand vous pouvez choisir de travailler activement pour la réduction de ces émissions, tout dans le cadre d’un sujet de recherche riche et passionnant ? Au Laboratoire de Simulation de Procédés et analyse de Systèmes, nous proposons une thèse qui vise à concevoir et ensuite à optimiser un procédé pour la capture du CO2 dans les rejets gazeux des industries. Son principe de fonctionnement dérive du procédé « Benfield » pour la capture du CO2. Nous proposons des conditions opératoires optimisées pour lesquels le procédé Benfield serait plus performant. Le deuxième axe d’innovation consiste dans une étude de couplage thermique avec une installation industrielle disposant de la chaleur à céder.
La recherche sera menée en collaboration avec le CEA de Saclay et le Laboratoire de Génie Chimique (LGC) à Toulouse. Dans un premier temps, le thésard va réaliser des travaux de simulation numérique à l’aide d’un logiciel de simulation de procédé (ProSIM). Ensuite, il pourra explorer et proposer différentes solutions pour minimiser le besoin énergétique du procédé. Les schémas de procédé obtenus pourront être validés expérimentalement au LGC, où le thésard sera encadré par des experts en procédé de transfert liquide-gaz. Il sera responsable de mettre en place un montage expérimental à l’échelle pilote pour acquérir des données sur les étapes d’absorption et désorption en colonne, avec un garnissage de structure innovante conçu par la fabrication additive. Il conduira lui-même les manips et pourrait éventuellement encadrer un stagiaire pour le support aux acquisitions expérimentales.
Si vous êtes passionné du Génie de Procédés et que vous cherchez un sujet de thèse stimulant et de grand impact pour la société, postulez et intégrez nos équipes !
Étude expérimentale et théorique de la rhéologie et de la migration de suspensions de particules dans du bitume
La gestion des déchets est un domaine de recherche important pour l'énergie nucléaire qui est un élément essentiel pour le développement d'énergies à faible teneur en carbone. Cette thèse se concentre sur la compréhension du comportement mécanique et thermique d'un type particulier de déchets : les matrices bitumineuses. Cette compréhension est essentielle pour contribuer à sa sûreté nucléaire. Dans ce contexte, nous proposons une étude expérimentale du comportement mécanique d'un mélange bitumineux composé de grains de sel de tailles et de natures chimiques variées, ainsi que de bulles de gaz. Plus précisément, il s'agit de caractériser l'impact de ces éléments sur la rhéologie du matériau, et d'étudier les effets de la sédimentation du sel ou de la migration des bulles. Pour ce faire, des mélanges bitumineux de différents types seront synthétisés. Ils seront ensuite caractérisés en termes de rhéologie et d'imagerie (2D par microscopie optique (MO) ou microscopie électronique à balayage (MEB), et 3D par tomographie à rayons X) au cours du temps. Des modèles rhéologiques et de sédimentation seront développés sur la base des résultats expérimentaux et implémentés dans les codes existants développés au CEA.
Le candidat aura accès à une plateforme analytique de haut niveau et à une infrastructure de laboratoire dédiée qui lui permettront d'acquérir une expertise dans le domaine de l'analyse et des propriétés des matériaux qui pourra être mise à profit pour son projet professionnel.