Etude expérimentale et simulation DEM du démélange de poudres d’actinides lors des opérations de transfert.
La fabrication des combustibles nucléaires à base d’oxydes d’actinides (UO2, PuO2) implique de nombreuses opérations de manutention de poudres, au cours desquelles peuvent survenir des phénomènes de ségrégation. Ces phénomènes, liés notamment aux différences de taille, de forme, de densité ou encore d’état de surface, influencent directement l’homogénéité des mélanges, et donc la qualité et la régularité des pastilles de combustible obtenues. Leur maîtrise constitue ainsi un enjeu industriel majeur pour garantir la robustesse des procédés et la conformité du produit final.
Cette thèse vise à approfondir la compréhension des mécanismes de démélange des poudres d’UO2 au cours des étapes de transfert, en particulier lors du transport par convoyeur vibrant et de la chute gravitaire. L’objectif scientifique principal est d’établir le lien entre les propriétés physiques et rhéologiques des poudres, les conditions opératoires du procédé, et l’intensité des phénomènes de ségrégation observés. Le travail combinera expérimentation et simulation numérique DEM afin d’identifier les paramètres matériaux et procédés influençant la ségrégation. Des dispositifs expérimentaux seront développés pour caractériser les poudres et évaluer l’intensité du démélange, tandis que les simulations permettront de valider et d’extrapoler les observations.
Réalisée au CEA Cadarache au sein du Laboratoire des combustibles Uranium (LCU) de l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE) en collaboration avec le laboratoire TIMR de l’UTC, ce projet permettra de proposer des recommandations pour limiter la ségrégation lors des opérations industrielles, et d’améliorer la prédiction de la propension à la ségrégation de mélanges de poudres, en particulier de poudres cohésives d’actinides.
Le doctorant valorisera ses résultats au travers des publications et participations à des congrès. Il aura l’occasion d’apprendre ou de se perfectionner dans plusieurs techniques réutilisables dans d’autres contextes, applicables à de nombreux domaines de la science des matériaux et de l’ingénieur. En particulier, les problématiques liées à la physique des milieux granulaires, qui constituent le cœur de cette thèse, présentent un intérêt industriel marqué et sont communes à de nombreux autres secteurs manipulant des poudres, tels que la pharmacie, l’agroalimentaire ou la métallurgie des poudres.
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).
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.
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.
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.
Modélisation du flux critique à l’aide des méthodes de Boltzmann sur réseau : application aux dispositifs expérimentaux du RJH
Les méthodes LBM (Lattice Boltzmann Methods) sont des techniques numériques utilisées pour simuler des phénomènes de transport dans des systèmes complexes. Elles permettent de modéliser le comportement des fluides en termes de particules qui se déplacent sur une grille discrète (un "réseau" ou lattice). Contrairement aux méthodes classiques, qui résolvent directement les équations différentielles des fluides, les méthodes LBM simulent l'évolution des fonctions de distribution des particules de fluide dans un espace discret, en utilisant des règles de propagation et de collision.
Le choix du réseau dans les méthodes LBM est une étape cruciale, car il affecte directement la précision, l'efficacité et la stabilité des simulations. Le réseau détermine la manière dont les particules de fluide interagiront et se déplaceront dans l'espace, ainsi que la façon dont la discrétisation de l'espace et du temps est effectuée.
Les méthodes LBM présentent un parallélisme naturel, car les calculs à chaque point de la grille sont relativement indépendants. Les méthodes LBM par rapport aux méthodes CFD classiques permettent de mieux capturer certains phénomènes complexes (comme les écoulements multiphasiques, turbulents ou en milieux poreux) car elles reposent sur une modélisation mésoscopique du fluide, directement dérivée de la cinétique des particules, plutôt que sur une résolution macroscopique des équations de Navier–Stokes. Cette approche permet une représentation plus fine des interfaces, des effets non linéaires et des interactions locales, souvent difficiles à modéliser correctement avec les méthodes CFD classiques. Les méthodes LBM permettent donc, à moindre coût, de capturer des phénomènes complexes. Des travaux récents ont notamment montré qu'il était possible, avec les LBM, de retrouver la courbe de refroidissement de Nukiyama (ébullition en vase) et, ainsi, de calculer avec précision le flux critique. Ce flux correspond à une ébullition en masse, appelée crise d’ébullition, qui se traduit par une dégradation soudaine du transfert thermique.
Le flux critique représente un enjeu crucial pour les dispositifs expérimentaux (DEX) du Réacteur Jules Horowitz, car ils sont refroidis par de l'eau en convection naturelle (dispositifs de type fuel capsule) ou forcée (dispositifs de type boucle). Ainsi, afin de garantir le bon refroidissement des DEX et la sûreté du réacteur, il convient de s'assurer que, sur la gamme de paramètres étudiés, le flux critique ne soit pas atteint. Il doit donc être déterminé avec précision. Les études précédentes menées sur un DEX de type fuel-capsule à l’aide du code NEPTUNE-CFD (méthodes CFD classique) ont montré que la modélisation est limitée à une région située loin du flux critique. De façon générale, les écoulements à fort taux de vide (supérieurs à 10%) ne peuvent être résolues aisément par les approches classiques de la CFD.
L'étudiant sera amené, dans un premier temps, à définir un réseau pour appliquer les méthodes LBM sur un dispositif du RJH en convection naturelle. Il consolidera les résultats sur le flux critique obtenus sur cette configuration en les comparant aux données disponibles. Enfin, des calculs exploratoires en convection forcée (régime laminaire à turbulent) seront menés.
L’étudiant sera accueilli au sein de l’institut IRESNE.
Effet de la porosité sur la conductivité thermique du matériau combustible MOX (U,Pu)O2
La performance des combustibles nucléaires dépend fortement de leur comportement thermomécanique, et donc de leur conductivité thermique. Cette propriété varie avec la microstructure du matériau qui peut présenter des hauts niveaux de porosité, notamment dans le cas des oxydes mixtes d’uranium et de plutonium utilisés dans les réacteurs rapides.
Le but de cette thèse est d’évaluer l’effet de la quantité et de la forme des pores sur la conductivité thermique de ces matériaux fissiles et de proposer une loi de conductivité thermique pour les MOX prenant en compte la quantité, la taille, la forme et l’interconnectivité de leur porosité. Pour ce faire, des mesures récentes de propriétés thermiques sont en cours de réalisation par des techniques performantes de chauffage laser permettant d’appréhender le comportement du combustible dans des domaines de température peu explorés à ce jour, à savoir les très hautes températures (typiquement jusqu’à 2800°C), dans le centre de recherche européen (JRC) à Karlsruhe. Ces mesures sont réalisées sur des matériaux présentant des microstructures différentes et seront comparés à des résultats obtenus par simulation à cette échelle (analyse d'image, passage 2D/3D, TM-FFT) [1].
La thèse se déroulera sur le centre du CEA Cadarache au sein de l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE) dans le Laboratoire d'Expertise et de Validation des Applications multi-filières (LEVA). Le LEVA fait partit du Service d'Etude et de Simulation du Combustible (SESC) et a pour mission de :
- Répondre aux besoins des partenaires industriels par des études ;
- Réaliser la validation des Outils de Calculs Scientifiques (OCS) de la plateforme PLEIADES ;
- Approfondir la compréhension du comportement combustible ;
- Gérer les bases de données combustibles.
Enfin, la collaboration avec JRC Karlsruhe sera l'opportunité de travailler dans un cadre international qui est une des forces du LEVA.
Ce travail permettra la valorisation des travaux de recherche lors de conférences et de publications dans des revues à comités de lecture. De plus, l'étudiant en thèse aura l'occasion d'acquérir ou de conforter certaines compétences techniques (interprétations de données expérimentales, modélisation) applicables à différents domaines de la science des matériaux et de l’ingénieur.
[1] Ce travail s'inscrit naturellement dans les perspectives évoquées dans la thèse "Thermal conductivity of mixed oxide fuel (MOX) : effect of temperature, elementary chemical composition, microstructure and burn-up in reactor" - TEL - Thèses en ligne.
Etude expérimentale du comportement des gaz de fission dans les combustibles des Réacteurs à Neutrons Rapides irradiés à basse puissance
Avec l’émergence des nouvelles start-ups dans le domaine du nucléaire, il est primordial d’étendre la base de validation des codes de performances du combustible des Réacteurs à Neutrons Rapides (RNR) à des régimes de fonctionnement à plus faible puissance linéique, un domaine encore peu exploré.
Compte tenu des températures plus faibles atteintes dans le combustible, la microstructure induite par l’irradiation est différente de ce qui est classiquement observée à plus forte puissance linéique. Ces plus faibles températures de fonctionnement entraînent aussi une diminution du relâchement des gaz de fission (RGF) pouvant induire un gonflement gazeux significatif du combustible. De manière concomitante, les faibles températures de fonctionnement peuvent aussi entraîner une augmentation de la densité des défauts générés (dislocations) lors de l’irradiation (efficacité de recuit des défauts plus faible) impliquant une augmentation indirecte du gonflement du combustible.
Il est donc important de déterminer la densité des dislocations dans le combustible car leur rôle ambivalent montre qu’elles peuvent ralentir le relâchement des gaz par piégeage et favoriser leur stockage dans des bulles en position intragranulaire, tout en pouvant aussi faciliter leur migration si elles forment un réseau connecté.
Afin d’améliorer la compréhension des phénomènes mis en jeu et les modèles de gonflement du combustible sous irradiation, il est essentiel de disposer de résultats expérimentaux comme les densités et les tailles de bulles de GF et les densités de dislocations dans ces régimes de fonctionnement.
Le laboratoire de caractérisation et d‘études des propriétés des combustibles au sein de Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE) auquel sera rattaché le doctorant est doté d’équipements de pointe dédiés aux matériaux irradiés (MET, MEB-FIB, SIMS, EPMA, DRX)lui permettant d’acquérir des compétences expérimentales pointues sur du combustible irradié. Ce travail sera réalisé en étroite collaboration avec les équipes en charge du développement des outils de calcul scientifique multiphysique de la plateforme logicielle PLEIADES.Les compétences acquises pendant toute la durée de la thèse pourront être valorisées dans un futur parcours professionnel aussi bien académique qu’industriel. Le doctorant pourra également valoriser son travail auprès de la communauté académique internationale et du monde industriel via des présentations orales et des articles à comité de lecture.
Modélisation et études dynamiques d’un système électronucléaire spatial pour la propulsion
La technologie nucléaire est clef pour permettre l’installation de bases scientifiques sur la Lune ou sur Mars, ou encore l’exploration de l’espace lointain. Son utilisation peut prendre plusieurs formes (par ex. Radioisotope Thermoelectric Generators, Nuclear Thermal Propulsion) et ce sujet de thèse s’intéresse à la Nuclear Electric Propulsion (NEP) : la chaleur produite par un réacteur nucléaire est convertie en électricité, afin d’alimenter un moteur de propulsion ionique. Différents concepts ont été étudiés par le passé (PROMETHEUS, MEGAHIT et DEMOCRITOS, typiquement pour des missions d’exploration des satellites de Jupiter) tandis qu’actuellement des études de conception sont en cours au CEA pour un système électronucléaire NEP de 100 kWe.
Le système d’intérêt combine plusieurs choix de conception très spécifiques : combustible en nitrure d’uranium, refroidissement direct au gaz (mélange hélium-xénon) et système de conversion d’énergie basé sur un cycle de Brayton, ou encore évacuation de la chaleur fatale par rayonnement thermique. Ces choix répondent à des exigences de masse et d’encombrement à minimiser, et de performance et de fiabilité à assurer pour la durée de la mission scientifique. L’analyse du comportement dynamique du système électronucléaire est donc cruciale pour la réussite du projet. Toutefois, la question de la modélisation transitoire d’un système électronucléaire spatial complet est très peu traitée dans l’état de l’art, et ce particulièrement pour la NEP.
Les objectifs de la thèse sont donc de rechercher et de développer des modélisations physiques adaptées à un système NEP, de proposer une démarche pour leur validation, et enfin de les mettre en œuvre pour analyser le comportement dynamique du réacteur et contribuer à l’amélioration de sa conception. On étudiera notamment plusieurs phases d’une mission : le démarrage du réacteur dans l’espace, les transitoires de variation de puissance fournie au moteur de propulsion ionique, la réponse du réacteur en cas d’avarie, et son arrêt éventuel avec la problématique d’évacuation sûre de la puissance résiduelle.
La thèse sera réalisée à l'Institut IRESNE (CEA Cadarache), dans un environnement scientifique stimulant, et intégrée dans une équipe de conception de réacteurs nucléaires innovants. Le CNES sera aussi impliqué dans le suivi des travaux, notamment pour définir les caractéristiques du moteur de propulsion ionique et les missions d’exploration d’intérêt pour le système électronucléaire. Le sujet de thèse, combinant modélisation, mécanique des fluides, thermodynamique, neutronique et mécanique spatiale, se prêtera à la communication scientifique et permettra de développer des compétences clefs pour une carrière académique ou dans l’industrie.
Imagerie acoustique des interfaces métal/céramique sur éléments combustibles irradiés : de la mise en œuvre à l’interprétation
Dans le contexte de l’amélioration de la performance et de la sureté des réacteurs nucléaires civils, de nombreux programmes de recherche sont conduits par le CEA en soutien aux industriels EDF et FRAMATOME, en particulier sur le comportement des éléments combustibles sous irradiation. Les éléments combustibles sont constitués d’une gaine métallique et de pastilles en céramique. Dans des situations de variations de puissance, la présence ou l’absence de jeu entre la gaine et les pastilles, et la qualité de l’accrochage entre eux en cas de contact, sont déterminants pour la tenue mécanique de l’élément (https://hal.archives-ouvertes.fr/DEN-DIR/cea-01153334v1).
Pour compléter les méthodes actuelles de caractérisations expérimentales, la faisabilité de la caractérisation de l’interface pastille-gaine par une technique non destructive d’imagerie acoustique a été étudiée et validée sur un banc d’essai en laboratoire universitaire.
Dans la continuité de cette première étude, l’objectif de la thèse est d’instrumenter un banc de mesure déjà opérationnel au CEA, dans une cellule blindée dédiée aux examens sur combustibles irradiés, pour y implanter une chaine d’imagerie acoustique.
Le travail de thèse inclut l’établissement et la mise en œuvre d’un protocole de qualification de la chaine de mesure avec acquisitions de mesures sur éléments combustibles irradiés. Une stratégie de traitement des signaux acoustiques prenant en compte la correction des effets en surface externe de gaine sera mise en place. Les caractéristiques que l’on souhaite obtenir sont la localisation axiale et azimutale des continuités ou discontinuités du contact à l’interface pastille-gaine avec des résolutions de quelques dizaines de micromètres, et la fraction surfacique des zones d’adhérence entre la gaine et le combustible, à l’échelle de quelques pastilles.
Le doctorant sera basé au sein de l’institut IRESNE (Institut de recherche sur les systèmes nucléaires pour la production d’énergie bas carbone) au CEA Cadarache, et les travaux seront réalisés dans une installation disposant d’outils de caractérisation non destructive et destructive permettant d’observer le combustible irradié à toutes les échelles.
Ce travail pluridisciplinaire sera mené en en étroite collaboration avec une équipe de l’IES (Institut de l’Electronique et des Systèmes - CNRS - Montpellier), spécialisée dans la conception de capteurs acoustiques et de systèmes d’imagerie acoustique. En s’appuyant sur les moyens et l’expertise des équipes des deux entités CEA et IES, le doctorant ou la doctorante pourra acquérir de solides compétences dans les domaines de la modélisation, de l’instrumentation et de la mesure. Il ou elle sera amené(e) également à interagir avec les équipes de R&D d’EDF, partenaire industriel de ce projet. Les résultats seront valorisés dans des publications et communications internationales.