Caractérisation de phénomènes multiphysiques locaux dans le réacteur de recherche CABRI

L'institut de R&D IRESNE du CEA Cadarache propose un post-doctorat dont l'objectif est de développer un couplage entre le modèle multiphysique APOLLO3®/THEDI du cœur et le modèle CATHARE du système de dépressurisation de l’hélium-3 dans le réacteur CABRI. A l’aide de cet outil de simulation, le post-doctorant définira des configurations de cœur d'intérêt et des mesures pour caractériser les phénomènes multi-physiques locaux dans CABRI.
Le réacteur de recherche de CABRI, situé au CEA Cadarache, est dédié à l'analyse du comportement du combustible nucléaire lors d'un accident de d’insertion de réactivité dans les réacteurs à eau pressurisée. Il simule expérimentalement des transitoires de puissance dans le cœur. Ces derniers sont initiés par la dépressurisation de quatre barres transitoires contenant un puissant gaz neutrophage, de l’3He.
Deux modèles ont été récemment développés pour simuler les transitoires de puissance de CABRI. Le premier modèle, à l'échelle de l'assemblage, est un outil appelé PALANTIR ; il est basé sur le code de thermohydraulique système CATHARE2 et des métamodèles pour fournissent la réactivité injectée par la dépressurisation de l’3He. CATHARE2 comprend un module de cinétique ponctuelle, en plus de modèles de thermohydraulique et de thermomécanique. Outre le cœur, le circuit de dépressurisation est modélisé, ce qui permet d'accéder à la densité de 3He dans les barres transitoires.
Le second modèle, à l'échelle du crayon, est basé sur un couplage APOLLO3®/THEDI via la plateforme C3PO. APOLLO3® résout l'équation de transport simplifiée à 3D. THEDI est utilisé pour modéliser un écoulement hydraulique 1D dans le cœur et résout également l'équation de la chaleur 1D. Pour la simulation de chaque transitoire, PALANTIR fournit l'évolution de la densité d’3He en fonction du temps ; ces données sont imposées comme conditions aux limites dans le couplage APOLLO3®/THEDI.

Mise au point, validation métrologique et essais en milieu extérieur d'une unité de mesure Raman/FO multitrack dédiée à la sécurité de futures stations cryogéniques de distribution d’hydrogène liquide

Contexte : Les usages domestique et industriel de l’hydrogène liquide comme carburant du futur nécessitent de définir un code de sécurité adapté. Actuellement, les critères de séparation des réservoirs ont été définis par anticipation selon une approche conservatoire. Il est donc nécessaire de réaliser des expériences en vraie grandeur (épandages) afin d’alimenter des codes de calculs et bâtir une normalisation pertinente. Ces expériences requièrent la mise en œuvre d’une instrumentation adaptée à la mesure de tous les gaz présents en espace libre (O2, N2, H2O, H2) afin d’établir un relevé de pressions partielles au cours de chaque essai, corrélé aux autres moyens de mesure mis en place (thermométrie, catharométrie, PIV, BOS,…).
Mission : Dans le contexte d’un projet ANR-PEPR (ESKHYMO) géré par le CEA Liten, une unité de mesure spectrométrique Raman/FO Multitrack sera mise au point conjointement par le CEA List et le CEA DES sur la base d’un dispositif existant. La mesure Raman est multi-élémentaire, multi-track (une seule unité de mesure pour plusieurs sondes), non-déflagrante, et délivre une mesure autonormalisée à une espèce de référence (le plus souvent l’azote à la pression atmosphérique). L’unité de mesure Raman/FO comportera un laser, un spectromètre associé à une caméra CCD scientifique et un circuit de fibres optiques permettant le déport de la mesure. La conception des sondes Raman/FO sera également basée sur une réalisation existante au CEA que l’on cherchera à miniaturiser en vue d’un déploiement en conditions de terrain. Quatre sondes Raman/FO seront réalisées puis ensuite étalonnées en air (enceinte climatique) et en hydrogène (tube à choc ou chambre à vide) au CEA DES DM2S à Saclay. Finalement, le dispositif final sera déployé sur site d’essai pour procéder à des mesures multigaz lors des expériences d’épandage, en partenariat avec l’industriel Air Liquide et les organismes accréditeurs (INERIS).
Compétences : Optique, laser, fibres optiques

Développements expérimentaux et technologiques d’un procédé de minéralisation de déchets liquides organiques par plasma

Le procédé ELIPSE développé au CEA permet la destruction des liquides organiques par injection dans un plasma de forte puissance.
Si la faisabilité de destruction de différents composants organiques à des débits de quelques litres par heure est aujourd’hui démontrée, les essais doivent maintenant être approfondis pour des liquides organiques de références pertinemment choisis en fonction des gisements existants.
Ces études, sur la base des données de caractérisations des LOR (Liquides Organiques) choisis, auront pour objectif d’apporter des résultats de procédé détaillés obtenus avec des conditions opératoires les plus représentatives, pour permettre une évaluation complète et quantitative du procédé. Cela permettra d’établir des données d’exploitation, de robustesse et d’endurance du procédé.
Ces travaux incluront l’étude du comportement des radioéléments dans le procédé qui sera indispensable à l’étude de nucléarisation : il s’agira d’étudier le comportement physico-chimique des actinides lors de leur traitement via l’utilisation de simulants inactifs.

Stratégies innovantes en matière d'actinides mineurs utilisants des réacteurs à sels fondus

Dans le cadre du projet ISAC (Innovative System for Actinides Conversion) du plan France Relance, des esquisses de réacteurs à sels fondus (RSF) incinérateurs d'actinides mineurs doivent être proposées en réponse à différents objectifs d'intégration dans des évolutions prospectives du parc nucléaire français (stabilisation ou réduction de l'inventaire de plutonium et d’américium, minimisation de l'emprise du stockage profond, …) et des contraintes liées au cycle (inventaire plutonium et actinides mineurs existant, …). Les spécificités de ces réacteurs à sels fondus seront exploitées pour concevoir des stratégies de transmutation innovantes. Le post doctorat aura lieu au sein du Service de Physique des Réacteurs et du Cycle de l'institut IRESNE dont l’une des missions est d’étudier la faisabilité et concevoir des réacteurs de nouvelle génération. Le candidat développera des compétences en neutronique ainsi qu’en conception de réacteur de quatrième génération en lien avec des considérations de cycle et parc nucléaire.

Conception de systèmes nucléaires innovants refroidis par caloducs

Le double objectif de décarbonation de l’industrie et d’indépendance énergétique, compte tenu du contexte géopolitique actuel, ouvre de nouvelles perspectives et applications (cogénération, production d’hydrogène, etc.) à l’énergie nucléaire. Dans ce contexte, les MNR (Micro Nuclear Reactors), d’une puissance thermique de 2 à 50 MW, sont susceptibles de répondre à un éventail de besoins tout en offrant une grande fiabilité et une sûreté accrue.
Parmi les technologies de MNR, celle dont le cœur est refroidi à l’aide de caloducs contribue à une amélioration de la passivité du système global, en fonctionnement normal et également en cas d’accident.
Pour démontrer la faisabilité technologique de ce type de MNR, une étude de prédimensionnement d’un ou plusieurs types de caloducs fonctionnant à haute température, ainsi que du réseau complet refroidissant le cœur, est à mener. Une fois modélisé, le réseau de caloduc sera intégré et couplé au dimensionnement du cœur afin d’avoir un premier remontage de la chaudière nucléaire.

Simulation des phénomènes de noyage dans les PEMFC

La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est aujourd’hui considérée comme une solution pertinente pour une production d’énergie électrique décarbonée, aussi bien pour des applications transport que stationnaire. La gestion des fluides à l’intérieur de ces piles a un impact important sur leur performance et leur durabilité. Les phénomènes de noyage dus à l’accumulation d’eau liquide sont bien connus pour nuire au fonctionnement des piles, provoquant des chutes de performance et des dégradations pouvant être irréversibles. Avec l’utilisation de canaux de plus en plus fins dans des piles toujours plus compactes, ces phénomènes deviennent de plus en plus fréquents. L’objectif de ce post-doc est de progresser dans la compréhension du noyage dans les PEMFC. Les travaux consisteront à analyser le lien entre les conditions de fonctionnement, le design des canaux et les matériaux utilisés dans les cœurs de pile. Ils seront basés sur une approche de modélisation des écoulements diphasiques à différentes échelles, en commençant par une échelle locale au niveau d’une dent et d’un canal, pour parvenir, via une remontée d’échelle, jusqu’au niveau de la cellule complète. L’étude s’appuiera également sur de nombreux résultats expérimentaux obtenus au CEA ou dans la bibliographie.

Calculs d'évolution à grande échelle avec code Monte-Carlo de transport de neutrons

L'un des principaux objectifs de la physique des réacteurs modernes est d'effectuer des simulations multi-physiques fidèles du comportement d'un cœur de réacteur nucléaire, avec une description détaillée de la géométrie à l'échelle des crayons de combustible. Les calculs multi-physiques en conditions nominales impliquent un couplage entre un solveur de transport pour les neutrons et les précurseurs, des solveurs thermiques et thermohydrauliques pour le transfert de chaleur, et un solveur Bateman pour calculer l'évolution isotopique du combustible nucléaire au cours d'un cycle du réacteur. L'objectif de ce post-doc est de réaliser un tel calcul entièrement couplé, à l'aide de PATMOS, une mini-app Monte-Carlo pour le transport de neutrons, et de la plateforme de couplage C3PO, toutes deux développées au CEA. Le système cible est un cœur de la taille d'un réacteur commercial.

Cascade de circulicité en turbulence compressible

Dans le cadre de ce post-doctorat, nous proposons d'étudier les propriétés des petites échelles d'une turbulence homogène compressible forcée, et cela au travers de relations statistiques exactes de type Monin-Yaglom. L'idée, détaillée dans la référence [1], est de comprendre comment s'organise le transfert de circulicité dans la zone inertielle. La circulicité est une grandeur associée au moment angulaire et, par extension, aux mouvements tourbillonnaires. L'analyse de ses propriétés inertielles permet de compléter la description de la cascade d'énergie déjà mise en évidence dans de précédents travaux [2,3].

L'objectif du post-doctorat sera de réaliser et d'exploiter des simulations directes de turbulence compressible homogène avec forçage, de façon à mettre en évidence les propriétés inertielles de la circulicité.

Pour cela, le(la) post-doctorant(e) disposera d'un accès au très grand centre de calcul (TGCC) ainsi que d'un code, Triclade, résolvant les équations de Navier-Stokes compressibles [4]. Ce code ne possède pas de mécanisme de forçage et la première tâche du(de la) post-doctorant(e) consistera donc à ajouter cette fonctionnalité. Une fois cette tâche accomplie, des simulations seront réalisées en faisant varier la nature du forçage et notamment le rapport entre ses composantes solénoïdales et dilatationnelles. Ces simulations seront ensuite exploitées en analysant les termes de transfert de la circulicité.

[1] Soulard and Briard. Submitted to Phys. Rev. Fluids. Preprint at arXviv:2207.03761v1
[2] Aluie. Phys. Rev. Lett. 106(17):174502, 2011.
[3] Eyink and Drivas.Phys. Rev. X 8(1):011022, 2018.
[4] Thornber et al. Phys. Fluids 29:105107, 2017.

Système de charge solaire décentralisé pour la mobilité durable en Afrique rurale

Une nouvelle station de recharge solaire autonome (SASCS) sera déployée en Éthiopie. Étant donné que 45 % de la population de l'Afrique subsaharienne n'a pas d'accès direct aux réseaux électriques et que l'infrastructure nécessaire pour exploiter de manière fiable d'autres sources d'énergie est largement inexistante pour bon nombre de ces populations en Éthiopie, l'introduction de la SASCS dans certaines communautés rurales du pays est un effort nécessaire. Il pourrait revigorer le secteur agricole des communautés et soutenir ceux dont l'emploi est lié à l'agriculture. Un SASCS pourrait également servir à intégrer les énergies renouvelables dans le mix électrique existant du pays. Le CEA INES agira en tant que partenaire-conseil pour la conception et la mise en œuvre de la solution (les batteries de seconde vie, le solaire seront étudiés). En outre, en raison de l'expertise établie du CEA INES dans l'installation d'outils solaires au sein de diverses communautés, l'initiative fournira également un savoir-faire pour l'installation du SolChargE en Ethiopie et coopérera à l'organisation d'ateliers pour les étudiants et les techniciens employés par le projet.

Convection naturelle à haut Rayleigh pour la Securité des réacteurs: 2ème année

Le postdoc est associé à la deuxième année du projet CORAYSE. La sécurité des réacteurs de type SMR est basée sur des systèmes passifs : le réacteur est placé dans une piscine où la chaleur résiduelle est évacuée par convection naturelle en cas d’accident. Toutefois à ce jour on n’appréhende pas, ni par le calcul ni sur la base d’expériences, l’échange thermique entre le réacteur et l’eau, car la convection naturelle n’a fait l’objet de corrélations d’échange thermique que jusqu’à des nombres de Rayleigh Ra de 10^12 (le nombre de Rayleigh Ra décrit le rapport entre le transport par convection naturelle et le transport diffusif). Pour un SMR, ce Ra peut dépasser 10^16. La maitrise par des calculs numériques et des expériences est donc un enjeu majeur de sécurité. Un tel objectif nécessite toutefois que plusieurs défis soient relevés :
• Un défi numérique : la capacité du code à modéliser de manière suffisamment précise et dans un temps raisonnable des écoulements turbulents à très haut nombre de Rayleigh est encore du domaine de la recherche. La simulation numérique aux plus hauts Ra envisagés représente un défi en termes de temps calcul, nécessitant des simulations sur des calculateurs « exascale ». Une adaptation des codes existants à cette situation est donc indispensable.
• Un défi expérimental : au niveau de la validation du code, la réalisation d’une expérience représentative, dans laquelle un nombre de Rayleigh supérieur à 10^16 puisse être atteint, nécessite une expérience à l’échelle 1 (donc très onéreuse), ou bien une expérience avec un autre fluide – par exemple l’hélium liquide - dont les propriétés physiques (viscosité, dilatation thermique,…) permettront d’atteindre en laboratoire des Rayleigh comparables.

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