Effets des tremblements de terre sur les installations souterraines

Le Centre industriel de stockage géologique (Cigéo) est un projet de centre de stockage géologique profond de déchets radioactifs à construire en France. Ces déchets seront placés dans des colis scellés dans des tunnels conçus à 500 mètres de profondeur. Les scellements sont constitués d'un mélange de bentonite et de sable qui présente une forte capacité de gonflement et une faible perméabilité à l'eau. Dans le cadre de la démonstration de la sûreté à long terme du dépôt, il doit être démontré que les structures de scellement peuvent remplir leurs fonctions sous chargements sismiques pendant toute leur durée de vie. Afin de garantir ce futur dépôt de déchets nucléaires, le CEA et l'Andra collaborent pour travailler sur les potentiels défis scientifiques et techniques.
La réponse des scellements souterrains aux séismes est complexe en raison de l'évolution spatiale et temporelle des propriétés hydromécaniques des milieux environnants et de la structure elle-même. Une modélisation précise du comportement nécessite donc un code numérique multiphysique couplé pour modéliser efficacement les réponses sismiques de ces structures souterraines pendant leur durée de vie estimée à 100 000 ans.
La recherche proposera donc une évaluation des performances de la modélisation numérique séquentielle et parallèle par éléments finis pour l'analyse sismique des installations souterraines profondes. Ensuite, elle effectuera un échantillonnage de données synthétiques pour tenir compte des incertitudes liées aux matériaux et, sur la base des résultats obtenus lors de l'évaluation précédente, elle effectuera une analyse de sensibilité en utilisant une méthode FEM ou un processus de métamodélisation. Enfin, les résultats et les connaissances acquises dans le cadre de ce projet seront traités et interprétés afin de fournir des réponses aux besoins industriels.

Modélisation multiphysique d'un four de frittage expérimental

Dans le cadre du développement et de l’amélioration des performances des vecteurs de production d’énergie bas carbone, le CEA dispose d’une plateforme logicielle permettant de modéliser le comportement du combustible nucléaire de sa fabrication jusqu’à son utilisation en réacteur. Le frittage, étape-clé dans la fabrication, est le procédé de traitement thermique utilisé pour consolider et densifier le combustible nucléaire afin de former la solution solide U1-yPuyO2-x. Le cycle de frittage comporte généralement une montée en température avec une rampe linéaire, un plateau à température constante et un refroidissement contrôlé, avec, éventuellement une adaptation continue du potentiel d’oxygène afin d’obtenir le rapport oxygène sur métal visé. Une première modélisation d’un four de frittage industriel a été réalisée en utilisant la suite logicielle OpenFOAM et la librairie C++ éléments-finis DIFFPACK. Une seconde étape vise la validation des modèles utilisés dans la simulation de ce four industriel sur la base d’une approche à effets séparés et la modélisation d’un four de frittage de laboratoire. Ce post doctorat sera réalisé à Cadarache au sein du laboratoire de modélisation multi-échelle (LM2C) du département d’études des combustibles, en étroite collaboration avec les équipes d’expérimentateurs du Laboratoire de chimie du Solide et d’Elaboration des Matériaux d’actinides (LSEM) de Marcoule qui développent et exploitent le four expérimental. La collaboration portera sur les données d’entrée de la modélisation (la géométrie du four, les conditions de température et d’atmosphère) et les mesures à comparer avec les données de simulations. Le post-doctorant évoluera dans un environnement stimulant, au sein d’un laboratoire dynamique où travaillent déjà une quinzaine de doctorants et post-doctorants, en contact avec des experts en modélisation de la physique du combustible.
Le travail sera valorisé par des présentations en conférences et la publication d’articles.

Expérimentation et simulation numérique de l’emballement thermique des batteries au Lithium

Dans le contexte actuel de transition énergétique, les batteries au lithium constituent aujourd’hui une technologie incontournable pour répondre au fort enjeu du stockage de l’énergie électrique. Cependant, des sollicitations sévères de batteries Li peuvent conduire à un phénomène d’emballement thermique, pouvant aller jusqu’à un départ de feu voire une combustion explosive de la cellule ou de la totalité du pack batterie. Si ce phénomène est bien connu de la communauté scientifique, la R&D liée à la problématique de la sécurité des batteries est encore naissante et doit être consolidée. L’objectif global de ce post-doctorat consiste à développer une stratégie de modélisation et de simulation numérique du phénomène d’emballement thermique des batteries au Lithium soumises à des sollicitations sévères, dans le but de mieux comprendre le phénomène, estimer le risque de propagation thermique du fait de la combustion des gaz, ou encore étudier les conséquences mécaniques de l’emballement (interaction fluide structure). Cette stratégie s’appuiera sur des campagnes d’essais expérimentaux réalisées dans le cadre du postdoc, et sur les outils numériques développés au CEA, dont EUROPLEXUS et Cast3M. Les travaux s’organiseront en 3 volets : Compréhension et modélisation des phénomènes mis en jeu sur la base d’essais (tube à choc, tests abusifs), Développement d’un modèle numérique représentatif des phénomènes identifiés, Modélisation intégrant l’interaction fluide/structure (déformation de l’enveloppe sous l’effet de la montée en pression).

Fonctionnalisation de bois par CO2 supercritique

Dans l'optique de substituer les matériaux de construction actuels à fort impact environnemental, le CEA poursuit des travaux de recherche consistant à fonctionnaliser chimiquement des bois issus des filières françaises afin de leur apporter des propriétés leur permettant de concurrencer ces matériaux usuels, ou les bois de construction importés.
Dans ce cadre, la chimie sous CO2 supercritique apparait être un moyen de mener des chimies innovantes tout en limitant l'impact des procédés sur les consommations énergétiques et en limitant les émissions de COV.
Ainsi, vous travaillerez sur le développement de nouveaux procédés de modification chimiques d'essences de bois locales sous CO2 supercritique. Vos responsabilités incluront la bonne tenue du projet de recherche (état de l'art, propositions de chimies adaptées, expérimentations, caractérisations) et des délais et livrables associés.

Implantation et extension de la bibliothèque de solveur Alien dans la proto-application Hélix

Le travail du post-doctorant sera dans un premier temps d’intégrer la solution Alien dans Helix, de réaliser des évaluations de performances et d’usage en configuration solveur direct ou itératif. Ces évaluations seront réalisées sur divers architectures allant de la machine de bureau jusqu'aux supercalculateurs nationaux sur plusieurs centaines voire milliers de cœurs de calcul.
Dans un second temps, le post-doctorant traitera la possibilité d’ajouter de nouvelles fonctionnalités dans la bibliothèque Alien pour résoudre des systèmes non-linéaires composés d'équations et d'inéquations afin de pouvoir résoudre dans un cadre HPC certains de problèmes de mécanique comme les méthodes de champs de phase ou bien les problèmes de contacts, sujet encore ouvert dans la communauté. Les résultats seront comparés aux cas tests et benchmark classiques de l’état de l’art du domaine.
Le candidat intégrera l'équipe de développement d'Helix, constituée pour le moment de 3/4 personnes au sein du laboratoire LM2S d'une quinzaine de personnes. Le post-doc se réalise dans le cadre d'un projet transverse entre les différentes directions du CEA. Le candidat collaborera donc également avec les auteurs de la bibliothèque Alien, à la DAM du CEA.

Développement de panneaux solaires flexibles pour applications spatiales

Les panneaux solaires utilisés conventionnellement pour alimenter en énergies les satellites sont encombrants et reliées entre eux par de lourdes pièces mécaniques. Plus légers et plus compacts, les panneaux solaires flexibles consistent en une peau souple servant de support aux cellules solaires qui transforment la lumière en électricité. Etant flexibles, les panneaux solaires pourraient s’enrouler ou se plier, sans l’aide de moteurs, les rendant ainsi moins lourds et coûteux que les panneaux solaires conventionnels.
D’un autre côté, le secteur des satellites est en train de migrer d’une configuration mono satellitaire à une configuration de constellation de satellites. Ces dernières années, le besoin de production de masse de satellites légers s’est accru. Les fabricants de panneaux solaires sont mis à l’épreuve sur leur capacité à affronter ces nouveaux besoins en termes de capacité de production et d’adaptabilité de leurs lignes de production. C’est exactement sur ces points que le photovoltaïque spatial peut apprendre du photovoltaïque terrestre.
Pour affronter ces nouveaux défis, le Liten a commencé à travailler sur ces sujets il y a plus de deux ans. Dans le cadre de ce post-doc, nous proposons de développer une architecture innovante de panneau solaire flexible en utilisant des procédés de fabrication à fort potentiel industriel. Nous cherchons pour cela un candidat avec une forte expérience dans le domaine des polymères et de leur mise en œuvre, avec aussi une expérience en mécanique. Toute expérience antérieure dans le photovoltaïque sera avantageusement considérée.

Stratégie d’identification de modèles continus à partir d’une approche discrète 3D

Afin de développer une stratégie d’identification de modèles de comportements pour matériaux quasi-fragiles, adaptés au calcul de structure, très souvent réalisée arbitrairement, un modèle fondé sur la méthode des éléments discrets a été élaboré. Le modèle discret est utilisé pour compenser le manque de données expérimentales nécessaires à l’identification du modèle continu. Grâce à certaines prédispositions vis-à-vis du mécanisme de fissuration, la mise en oeuvre d’un modèle discret est extrêment aisée, et son efficacité a été démontrée, mais se limite pour le moment à un cadre 2D, pour des raisons liées au temps de calculs.

Un cadre 2D, réduit fortement les possibilités d’analyses pouvant être conduites avec un tel modèle, notamment pour des structures renforcées, où les effets 3D sont prépondérents. L’objectif des travaux proposés dans le cadre de ce travail post-doctoral est donc d’étendre en 3D l’approche discrète initialement développée. Les développements se feront dans le code de calcul CAST3M-CEA développé au DEN/DANS/DM2S/SEMT. Le code de calcul discret sera, par la même occasion, optimisé à l’aide d’outils déjà présents dans l’environnement CAST3M-CEA. En fonction des gains en efficacité, le calcul de structures complètes par la méthode des éléments discrets pourra être envisagée.

A l’issue de ce travail, un outil numérique sera disponible permettant d’étendre la stratégie d’identification à des modèles de comportement intégrant des effets 3D, tels que les modèles d’interface acier/béton (confinement) et de béton (dilatance).

Analyse dynamique non-linéaire d’une structure en béton armé sous sollicitations sismiques : Etude déterministe et probabiliste des spectres de plancher

L’étude qui est proposée s’appuie sur la campagne ENISTAT et comporte trois axes de travail :

1. Calibration (5 mois)
Le candidat devra, dans un premier temps, s’approprier le modèle aux éléments finis de maquette qui a été développé en phase d’avant projet. Sur la base des résultats expérimentaux, les éventuelles sources d’écart entre les résultats numériques initiaux et expérimentaux devront être identifiées en vue de mieux calibrer le modèle.

2. Étude déterministe et probabiliste des spectres de plancher (5 mois)
Sur la base du modèle calibré, les spectres de planchers pourront être déterminés. Ces derniers seront confrontés aux spectres de demande issus des textes normatifs, tels que l’Eurocode 8. Enfin, en s’appuyant sur des méthodes issues de la théorie de la fiabilité, les incertitudes qui entachent non seulement les paramètres d’entrée du modèle mais aussi les signaux d’excitation seront prises en compte et la variabilité des spectres de planchers pourra être quantifiée. Cette donnée est particulièrement essentielle dans un contexte de dimensionnement et de retombées au niveau de l’ingénierie parasismique.

3. Étude de la tenue au séisme des rupteurs thermiques (2 mois)
Sur la base des résultats, non seulement expérimentaux mais aussi numériques, une discussion sur l’effet des rupteurs thermiques sur la tenue globale de la structure au séisme sera réalisée.

Il peut être noté que l’ensemble de ces recherches s’inscrit pleinement dans le cadre de la feuille de route de l’institut SEERA (ex. IMRS) dont le CEA est membre fondateur.

Modélisation de l’électroraffinage d’actinides

Dans le cadre du projet européen SACSESS et en collaboration avec l’ITU et le CNRS, le Laboratoire d’Elaboration des Procédés de Séparation (LEPS) du DRCP/SMCS étudie actuellement un procédé pyrométallurgique de retraitement des combustibles nucléaires usés par électrolyse.

Le sujet de post-doc proposé vise dans un premier temps à développer des modèles rendant compte de ce procédé sur la base de résultats de tests successifs d’électroraffinage déjà obtenus à l’ITU en électrolysant un alliage métallique U-Pu-Zr-Am-Gd-Nd-Ce-Y sur une cathode d’aluminium. Le but de la modélisation sera d’évaluer les potentialités de ce procédé en termes d’efficacité de séparation mais aussi d’optimiser la gestion des flux de matière nucléaire.

Réduction de modèle en dynamique vibratoire : application au génie parasismique

La complexité et la finesse des modèles numériques mis en oeuvre pour prédire le comportement des structures soumises à des sollicitations sismiques imposent bien souvent des temps de calculs de plusieurs jours pour la résolution des équations aux dérivées partielles du problème de référence.
En outre, l’étude des marges, les méconnaissances sur les paramètres constitutifs, les analyses stochastiques ou encore le recalage des modèles impose généralement de fournir cet effort numérique, non plus pour la simulation d’un seul modèle, mais d’une famille de modèles.
Afin de diminuer les temps de calculs, des techniques de réduction de modèle (Proper Orthogonal/Generalized Decomposition) peuvent être envisagées. La présente étude post-doctorale propose de définir et mettre en oeuvre (notamment dans CAST3M) une technique adaptée pour la réduction de modèles de génie civil (type béton armé) soumis à des chargements sismiques.