Analyse des écoulements fortement concentrés en bulles par simulations numériques à interfaces résolues
Pour évaluer la sûreté des installations industrielles, le CEA développe, valide et utilise des outils de simulation en thermohydraulique. Il s’intéresse en particulier à la modélisation des écoulements diphasiques par différentes approches de la plus fine à la plus intégrale. Afin de mieux comprendre les écoulements diphasiques, le Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides (STMF) travaille à la mise en place d’une démarche multiéchelle où la simulation fine (DNS, Simulation Numérique Directe diphasique) est utilisée comme « expérience numérique » pour produire des données de référence. Ces données sont ensuite moyennées pour être comparées aux modèles utilisés à plus grande échelle. Cette démarche est appliquée aux écoulements haute-pression où le régime à bulles est conservé même à des taux de vide très élevés. Le Laboratoire de Développement aux Echelles Locales (LDEL) du STMF a développé une méthode de DNS (Front-Tracking) implémentée dans son code Open-Source de thermo-hydraulique : TRUST/TrioCFD [1] (code orienté objet, C++). Lors de plusieurs thèses, elle a permis de réaliser des simulations massivement parallèles pour décrire finement les interfaces sans recourir à des modèles, par exemple dans des groupes de bulles (appelés essaims) [2][3][4]. Actuellement appliquée aux écoulements diphasiques à bulle peu concentrés (fraction volumique inférieure à 12%), l’objectif de cette thèse sera d’évaluer et utiliser la méthode à plus fort taux de vide. Des simulations HPC de référence d’essaims de bulles seront menées sur des supercalculateurs nationaux jusqu’à des taux de présence de gaz de 40%. La qualité des résultats sera évaluée avant d’extraire des modèles physiques d’interactions de bulles dans ces conditions. L’objectif de ces modèles est de retrouver la dynamique globale de l’essaim de bulle à des résolutions beaucoup plus faibles, et ainsi permettre d’étudier des systèmes plus gros et en déséquilibre (forçage externe de génération de turbulence imposée, gradient de vitesse moyenne imposé, …). Ce travail s’inscrit dans un projet ANR, en collaboration avec l’IMFT et le LMFL en parallèle de 2 autres thèses dont une expérimentale au LMFL avec lesquelles il y aura de fortes interactions. Il inclut des aspects numériques (validation), des développements informatiques (C++), ainsi qu’une analyse physique des écoulements obtenus. L'étudiant sera accueilli au LDEL au sein d'un groupe de chercheurs et de nombreux doctorants. En collaboration avec le monde académique, il publiera ses travaux et participera à des conférences internationales.
Passage à l'échelle des simulations de dynamique des dislocations pour l'étude du vieillissement des matériaux du nucléaire
Les matériaux utilisés dans les systèmes nucléaires de production d'énergie sont soumis à des sollicitations mécaniques, thermiques et d'irradiation, conduisant à une évolution progressive de leur tenue mécanique. La compréhension et la modélisation des mécanismes physiques impliqués est un enjeu important.
La simulation par Dynamique des Dislocations vise plus particulièrement à comprendre le comportement du matériau à l'échelle du cristal en simulant de façon explicite les interactions entre les dislocations, la microstructure et les défauts cristallins induits par l'irradiation. Le CEA, le CNRS et l'INRIA développent à cet effet le code de calcul NUMODIS depuis 2007 (Etcheverry 2015, Blanchard 2017, Durocher 2018).
Des travaux plus spécifiques aux alliages de zirconium (Drouet 2014, Gaumé 2017, Noirot 2025) ont permis de valider et enrichir la capacité de NUMODIS à traiter ces mécanismes physiques individuels en les confrontant directement à l’expérience, via des essais de traction in situ sous microscope électronique en transmission. Ces études se trouvent néanmoins limitées par l’incapacité actuelle du code NUMODIS à traiter un nombre suffisamment élevé et représentatif de défauts, et ainsi d’obtenir le comportement mécanique du grain (~10 microns).
L'objectif du travail proposé est de mettre en place de nouveaux algorithmes pour étendre les fonctionnalités du code, proposer et tester de nouveaux algorithmes numériques, paralléliser certaines parties encore traitées séquentiellement et finalement de démontrer la capacité du code à simuler le mécanisme de canalisation de la déformation dans un grain de zirconium irradié.
Les travaux porteront en priorité sur les algorithmes de calcul des vitesses, de formation de jonctions et d’intégration en temps, nécessitant à la fois une maîtrise de la physique des dislocations et des méthodes numériques correspondantes. Des algorithmes d’intégration proposés récemment par l’université de Stanford et au LLNL seront à cet effet implémentés et testés.
Un travail important sera également consacré à l’adaptation du code actuel (parallélisme hybride MPI-OpenMP), aux nouvelles machines de calcul faisant la part belle aux processeurs GPU, via l’adoption du modèle de programmation pour le calcul intensif Kokkos.
S’appuyant à la fois sur les travaux expérimentaux et numériques précédents, cette étude se terminera par la démonstration de la capacité de NUMODIS à simuler le mécanisme de canalisation dans un grain de zirconium irradié, et à identifier voire modéliser les principaux paramètres physiques et mécaniques impliqués.
A l’interface entre plusieurs domaines, le candidat devra avoir de bonnes bases en physique et/ou en mécanique, tout en étant à l’aise en programmation et en analyse numérique.
Références :
1. Etcheverry Arnaud, Simulation de la dynamique des dislocations à très grande échelle, Université Bordeaux I (2015).
2. Blanchard, Pierre, Algorithmes hiérarchiques rapides pour l’approximation de rang faible des matrices, applications à la physique des matériaux, la géostatistique et l’analyse de données, Université Bordeaux I (2017).
3. Durocher, Arnaud, Simulations massives de dynamique des dislocations : fiabilité et performances sur architectures parallèles et distribuées (2018).
4. Drouet, Julie, Étude expérimentale et modélisation numérique du comportement plastique
des alliages de zirconium sous et après irradiation (2014).
5. Gaumé, Marine, Étude des mécanismes de déformation des alliages de zirconium
après et sous irradiation (2017).
6. Noirot, Pascal, Etude expérimentale et simulation numérique, à l'échelle nanométrique et en temps réel, des mécanismes de déformation des alliages de zirconium après irradiation (2025).
Etude de nouveaux concepts d’extracteurs liquide-liquide miniaturisables et parallélisables
Dans le processus de développement de procédés, leur miniaturisation représente un fort enjeu pour la RetD en amont.
En effet, la miniaturisation des procédés présente de nombreux avantages, en termes de réduction des volumes de matières premières, de gestion des déchets, possibilités de criblage, automatisation et de sécurité pour le personnel.
A ce jour, le procédé d’extraction liquide-liquide à contre-courant n’a pas de solution convaincante de miniaturisation alors que les applications sont nombreuses : en pharmacie, synthèse chimique, nucléaire ou médecine nucléaire.
Le CEA-ISEC à Marcoule a développé de nouveaux outils microfluidiques pour réaliser ces opérations de façon simple et opérationnelle en se basant sur la compréhension fine des instabilités des écoulements diphasiques dans des capillaires.
Ce sujet d’étude sur 3 ans propose :
- D’expérimenter, comprendre et modéliser finement les écoulements et transferts de masse
- D’optimiser puis transposer les phénomènes à des volumes industriellement impactants
- Publier et participer à des congrès internationaux
Le doctorant bénéficiera d’un apprentissage du monde de la recherche dans une équipe valorisant la qualité dans l’encadrement et le devenir de ses doctorants, dans une équipe pluridisciplinaire allant du génie des procédés à l’instrumentation et avec des projets allant de la recherche à l’industrie.
Des compétences générales en génie chimique et transfert de masse sont requises. Des compétences de collaboration avec nos partenaires académiques seront essentielles à la réussite du projet d’étude.
étude de la diffusion du radon dans les barrières naturelles en fonction de leur taux de saturation en eau, leurs niveaux de vieillissement et d'hétérogénéité
Le radium-226 est un des principaux radionucléides restant dans les résidus miniers uranifères. Or, son descendant direct, le radon-222 est un gaz noble de demi-vie de 3,8 jours, potentiellement dangereux pour l’homme en cas d’inhalation. Afin de minimiser le rejet de cet élément dans l'air, les résidus miniers sont placés sous des barrières limitant le transport diffusif du Rn-222 vers la surface. Le dimensionnement de ces barrières (épaisseur, matériaux, saturation en eau…) devrait s’appuyer sur des données expérimentales décrivant quantitativement la mobilité du radon en leur sein. Mais, du fait des nombreuses difficultés expérimentales associées à l’étude de ce gaz radioactif, ce type de données est rare et souvent spécifique à un site d’étude, rendant sa généralisation difficile (Fournier et al., 2005 ; Furhman et al., 2023). Or, des nouvelles techniques d’investigation ont vu récemment le jour, qui devraient permettre d’approfondir notre connaissance du comportement diffusif du radon. Ainsi, de nouveaux dispositifs ont été développés pour étudier la diffusion de radionucléides au travers de matériaux partiellement saturés en eau (Savoye et al., 2018 ; 2024). D’autre part, l’autoradiographie spectroscopique permet depuis peu de quantifier et cartographier les émetteurs alpha présents au sein de matériaux, notamment ceux de la chaine de désintégration de 238U et donc de 222Rn (Lefeuvre et al., 2024).
L’objectif de ce projet doctoral est donc, en couplant ces deux nouvelles approches, d’investiguer comment la diffusion du radon au travers de matériaux envisagés comme barrières (latérites, bentonite, …) peut être impactée par les paramètres clefs servant au dimensionnement des barrières, à savoir, leur degré de saturation en eau et leur niveau de vieillissement et leur hétérogénéité intrinsèque.
Étude expérimentale et par modélisation du transport d’un terme source multi-contaminant dans le continuum nappe/rivière
L’évaluation des risques de migration d’un marqueur radiotoxique ou chimique dans l’environnement, repose sur notre capacité à prédire le comportement de ces polluants dans des milieux complexes où les conditions physico-chimiques peuvent varier dans le temps et dans l’espace. La connaissance des réactions chimiques en solution et aux interfaces solides/solutions doit implicitement être reliée aux propriétés de transport du milieu. La compréhension fine du comportement des radioéléments dans les milieux naturels est alors un prérequis indispensable servant à la mise au point des codes de transport prédictif. Dans les cas réels de contaminations radiologiques et/ou chimiques de nappe phréatique jusqu’à la rivière, le terme source est en général complexe. Des interactions entre radioéléments (effet « cocktail ») peuvent altérer leurs propriétés de rétention sur les phases solides du milieu. De même, les conditions physico-chimiques du milieu vont déterminer la spéciation en solution des éléments et, agir a fortiori sur leurs propriétés de rétention sur les phases réactives.
Afin d’améliorer la connaissance du comportement des radioéléments dans les sols et les nappes, notamment sous forme de cocktail (e.g. U, I, Cs, Sr, Ru et Tc), la connaissance du comportement de chaque radioélément pris individuellement est primordiale. Notamment, le ruthénium (Ru) a été recensé dans la littérature comme très mobile ou faiblement mobile selon les contextes physico-chimiques. Son comportement dans l’environnement est encore mal connu. Dans ces contextes, Ru peut se trouver dans les états d'oxydation +2 à +4. En effet, l’état d’oxydation du ruthénium varie selon trois facteurs principaux : le pH de la solution, le potentiel redox et les ligands disponibles pour complexer les ions Ru. Pour prévoir la spéciation de Ru dans les solutions naturelles, il est nécessaire de disposer de constantes de complexation notamment vis-à-vis des ions dominants dans l'environnement tels que l'ammoniac (NH4+), le carbonate (HCO3- / CO32-), le chlorure (Cl-), le sulfate (SO42-), le nitrate (NO3-), l’hydroxyle (OH-) et les phosphates. Malheureusement, les constantes de complexation avec des ligands présents dans des conditions environnementales sont très variables et peu nombreuses dans la littérature pour le ruthénium dans les états d'oxydation +2 à +4. Ainsi selon sa spéciation en solution, il va être à même de se sorber ou co-précipiter sur les phases minérales réactives telles que les minéraux argileux et les carbonates. Cette réactivité chimique dépendante du contexte physico-chimique est déterminante pour prévoir la migration de Ru et d’autres radioéléments présents simultanément.
Ce travail de thèse vise ainsi à combler les lacunes des données thermodynamiques (complexation en solution, adsorption, etc.) pour la modélisation géochimique des radioéléments d’intérêt (en particulier du ruthénium et du technétium) dans un contexte physico-chimique naturel. Il vise aussi à évaluer les effets compétiteurs sur la sorption, que ce soit vis-à-vis des anions et cations en solution et des phases minérales dans le milieu. Ce travail comprendra une approche expérimentale et de modélisation géochimique.
Conditions systémiques pour le développement de l’industrie des batteries en Europe : politiques publiques, écosystème industriel et géoéconomie.
En tant que leader mondial de la neutralité carbone, l’Europe fonde son modèle de développement sur la transition énergétique et a développé des solutions technologiques décarbonées dans de nombreux domaines. Cependant, cette avance politique ne s’est pas toujours traduite par une compétitivité industrielle dans le marché mondialisé malgré des efforts en matière d’innovation. Un déclin industriel a été observé, laissant l’Europe en position de faiblesse sur les marchés internationaux.
L’objectif de neutralité carbone pris par l’Union européenne (UE) à l’horizon 2050 impose une profonde refondation du système énergétique qui mobilisera un ensemble de technologies posant des défis à la fois techniques, économiques mais aussi sociaux.
Les récents bouleversements géopolitiques, tels que les tensions commerciales ou la volatilité des chaînes d’approvisionnement, renforcent l’incertitude pesant sur la géoéconomie mondiale. Face à ces défis, les décideurs cherchent à élargir leur vision stratégique. L’UE a ainsi acté la nécessité d’une autonomie stratégique dans un monde fragmenté dans lequel l’accès à certaines ressources et certains équipements devient plus difficile et pourrait être devenir une arme géopolitique.
La maitrise des chaînes d'approvisionnement européennes afin d’assurer un accès stable à l’énergie et aux ressources critiques dans un contexte de compétition mondiale est dorénavant une priorité politique, qui passe notamment par l’installation de capacités productives des équipements bas-carbone sur le sol européen. L’ensemble de ces objectifs ne pourra être adressé qu’en articulant un ensemble large de mesures politiques, en trouvant un équilibre entre les politiques énergétique, environnementale et industrielle. Or, certaines mesures pourraient entrer en tension avec les politiques mises en œuvre ces dernières décennies pour construire le marché européen de l’énergie, mais aussi celles fondant les relations de commerce et d’investissement.
Dans ce contexte, cette thèse propose un cadre théorique permettant d’analyser les conditions systémiques du développement de l’industrie européenne des batteries, en intégrant les dimensions des politiques publiques, de la souveraineté industrielle et des enjeux géoéconomiques. Elle sera réalisée au sein du pôle Régulation et Organisation de Marchés de l’Énergie (ROME) de l'Institut de recherche et d'études en économie de l'énergie (I-Tésé) du CEA, en partenariat académique avec l’Université Paris Dauphine-PSL.
Modélisation de l’impact de défauts dans les structures acier-béton. Identification des défauts critiques par méta-modélisation et algorithmes d’optimisation.
Pour faire face à des enjeux de constructibilité grandissant, les structures « acier-béton » (structures « steel – concrete » ou « SC ») deviennent une alternative prometteuse face aux structures classiques en béton armé. Ces éléments sont constitués d’un béton de remplissage, de deux plaques externes métalliques et de goujons en acier permettant d’assurer l’action composite. Si ces structures présentent un intérêt certain lié à leur comportement mécanique d’ensemble, la présence des plaques métalliques empêche un contrôle visuel de la qualité du bétonnage. Il apparaît donc essentiel de caractériser l’impact de défauts potentiels. C’est dans ce contexte que s’inscrit le sujet de thèse. Il s’agira, en s’appuyant sur des résultats récents du laboratoire, de proposer une démarche numérique de prise en compte des défauts dans les structures acier-béton. Le travail de thèse s’articulera en plusieurs étapes : validation d’une stratégie de modélisation du comportement mécanique de structures acier-béton sans défaut, introduction de défauts dans la simulation et évaluation de l’applicabilité de la stratégie numérique, construction d’un métamodèle et analyse de sensibilité et définition de la (ou des) configuration(s) de défauts critiques par algorithmes d’optimisation. L’un des objectifs opérationnels de la thèse est de disposer d’un outil permettant de déterminer les configurations de défauts critiques (taille, position et nombre) en lien avec un objectif fixé sur une quantité d’intérêt donnée (perte de résistance ou de rigidité moyenne par exemple). Ce travail s’appuiera donc sur l’utilisation et le développement d’outils numériques à l’état de l’art, dans les domaines de la modélisation par éléments finis, des techniques d’optimisation, d’analyse de sensibilité et d’optimisation. La thèse sera réalisée dans un cadre collaboratif riche, notamment en partenariat avec EDF.
Méthode primale-duale proximale pour l’estimation conjointe de l’objet et des paramètres d’acquisition inconnus en tomographie.
Dans le cadre de l’utilisation durable et sûre de l’énergie nucléaire au service de la transition énergétique décarbonée, le réacteur de recherche Jules Horowitz, en cours de construction sur le site du CEA Cadarache, est un outil-clé pour l’étude du comportement des matériaux sous irradiation. Une ligne d'imagerie tomographique est prévue en accompagnement des dispositifs expérimentaux afin d'obtenir l'image de la dégradation des échantillons en temps réel. Cette ligne présente des caractéristiques extraordinaires de par sa géométrie et la dimension des objets à caractériser. En conséquence, certains paramètres d'acquisition, indispensables pour la bonne reconstruction de l'image, ne sont pas connus avec précision. Ainsi, l'image finale peut se retrouver fortement dégradée.
L'objectif de cette thèse est de proposer des méthodes permettant l'estimation conjointe de l'objet caractérisé ainsi que des paramètres d'acquisition inconnus. Ces méthodes s'appuieront notamment sur les outils de l'optimisation convexe moderne. Cette thèse explorera également des méthodes de machine learning afin d'automatiser et d'optimiser le choix des hyperparamètres du problème.
La thèse sera réalisée en collaboration entre l'Institut de Mathématiques de Marseille (I2M CNRS UMR 7373, Aix-Marseille Université, site Saint Charles) et le laboratoire de Mesures Nucléaires de l’institut IRESNE du CEA (site de Cadarache, Saint Paul les Durance). Le ou la doctorant(e) évoluera dans un environnement de recherche stimulant en lien avec des problématiques stratégiques liées au contrôle non destructif. Il ou elle pourra également valoriser ses travaux de recherche en France comme à l'étranger.
Effet de la radiolyse de l’eau sur le flux d’absorption d’hydrogène par les aciers inoxydables austénitiques en réacteur nucléaire à eau pressurisée
Dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisée, les éléments constitutifs du cœur sont exposés à la fois phénomènes de corrosion en milieu primaire, de l’eau pressurisée sous 150 bar et 300 °C environ, et à un flux neutronique. Les aciers inoxydables du cœur subissent des dommages dus à la combinaison du bombardement neutronique et de la corrosion. De plus, la radiolyse de l’eau peut impacter les mécanismes et cinétiques de corrosion, la réactivité du milieu et a priori les mécanismes et cinétique d’absorption d’hydrogène par ces matériaux. Ce dernier point, encore inexploré, peut s’avérer problématique car l’hydrogène en solution solide dans l’acier peut conduire à la modification (et la dégradation) des propriétés mécaniques de l’acier ou induire une fissuration prématurée de la pièce. Les travaux pionniers développés dans cette thèse très expérimentale seront centrés autour de l’impact des phénomènes de radiolyse sur les mécanismes et cinétiques de corrosion et surtout de prise d’hydrogène d’un acier inoxydable 316L exposé au milieu primaire sous irradiation. L’hydrogène sera tracé par le deutérium, l’irradiation neutronique simulée par irradiation électronique sur accélérateurs de particules. Une cellule de perméation existante sera reconfigurée en un dispositif unique pour permettre de mesurer in operando par spectrométrie de masse le flux de perméation de deutérium à travers un échantillon exposé au milieu primaire simulé en conditions de radiolyse. La distribution de l’hydrogène dans le matériau, ainsi que la nature des couches d’oxydes formées, seront analysées finement à l’aide des techniques de pointe disponibles au CEA et dans les laboratoires partenaires. Le(a) doctorant(e) devra in fine (i) identifier les mécanismes en jeu (corrosion et entrée d’hydrogène), (ii) en estimer les cinétiques et (iii) modéliser l’évolution du flux d’hydrogène dans l’acier fonction de l’activité de la radiolyse.
Modélisation multiphysique du frittage du combustible nucléaire : effet de l’atmosphère sur la cinétique du retrait
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. Le grossissement des grains induit la densification du matériau (fermeture des pores) et le 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. De plus, l'atmosphère de frittage, c'est-à-dire la composition du gaz dans le four, impacte la cinétique de grossissement des grains et donc le retrait de la pastille. Ainsi, une simulation avancée permettrait d'améliorer la compréhension des mécanismes observés ainsi que d'optimiser les cycles de fabrication.
Cette thèse se consacre à la mise en place d’un modèle thermique-chimique-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.