Groupe de renormalisation fonctionnel pour la structure nucléaire
Le noyau de l'atome est l'un des systèmes les plus complexes de la nature : il implique des nucléons (eux-mêmes composés de quarks et gluons) fortement couplés par leurs interactions fortes et électrofaibles et est le siège de divers phénomènes émergeants (déformations, superfluidités, agrégation, ...). La physique de la structure nucléaire cherche à comprendre et prédire comment un nombre arbitraire de protons et neutrons s'auto-organisent et se désorganisent dans le noyau. Parmi les différentes approches théoriques cherchant à répondre à cette question, la méthode de l'Energie Fonctionnelle de la Densité (EDF), proche (mais pas identique) de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), offre actuellement le meilleur compromis entre robustesse de la description des propriétés nucléaires et coût numérique. Toutefois, la méthode EDF, dans sa formulation standard, comporte des ingrédients phénoménologiques nuisant à son caractère prédictif.
L'objectif de ce post-doctorat consiste à formuler la méthode EDF à partir de principes premiers, afin de disposer d'une approche théorique présentant une fiabilité maximale tout en possédant une complexité numérique suffisamment favorable pour l'appliquer à la description de tous les noyaux, indépendamment du nombre de nucléons qu'ils comportent. Les travaux précédents de l'équipe d'accueil ont permis d'identifier le langage théorique le plus adapté à une reformulation non empirique de la méthode EDF : celui du groupe de renormalisation fonctionnel (FRG), permettant d’interpoler graduellement et non perturbativement entre les lois gouvernant un système aux échelles microscopiques (UV) et celles régissant l’émergence de comportements collectifs à plus faible résolution (IR).
Le présent projet vise à formuler à partir de premiers principes la méthode EDF via le FRG.
Evolution des codes ISAAC et Xpn pour une extension de la méthode QRPA au traitement complet des noyaux impairs ; vers une base de données sans interpolation pour les noyaux impairs
Le traitement explicite des noyaux à isospin impair dans les approches microscopiques se limite pour l’instant à l’approximation dite du « blocking ». Dans l’approche Hartree-Fock Bogolyubov (HFB), l’état fondamental d’un noyau de masse impaire est décrit comme une excitation à une quasi-particule (qp) sur son vide de référence. Ainsi, dans l’approche QRPA, où les excitations de base sont des états «?à 2 quasi-particules?», la qp bloquée est exclue de l’espace de valence en vertu du principe d’exclusion de Pauli?; principe applicable aux quasi-particules qui sont des fermions. En conséquence, la qp choisie est spectatrice et ne participe pas aux états collectifs QRPA. Certains niveaux où le nucléon célibataire devrait avoir une contribution significative seront alors soit mal, soit pas du tout, reproduits. La mise au point dans les codes QRPA (ISAAC et Xpn) d’une procédure qui permette à tous les nucléons de participer aux états collectifs est donc d’importance capitale pour une description microscopique des noyaux impairs, préférable à une simple interpolation entre noyaux pairs. De plus, des développements récents de Xpn ont permis la description des décroissances ß- premières interdites, ce qui améliore l’estimation de temps de demi-vie des fragments de fission. Ceci pourrait être étendu afin de traiter également les décroissances ß+ et les captures électroniques. Couplée avec un meilleur traitement des noyaux impairs, cette approche pourrait être adaptée aux calculs à grandes échelles, utiles également pour l’astrophysique nucléaire.
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.
Application des techniques de factorisation de tenseurs au problème nucléaire à N corps
Les calculs ab initio des noyaux atomiques ont fait des progrès significatifs au cours de la dernière
décennie, avec une forte augmentation du nombre (et du type) de systèmes accessibles. Une des difficultés majeures empêchant actuellement d'étendre le domaine d'application et la précision des ces
calculs concerne le traitement de l'interaction à trois nucléons d'une part et l'incorporation des corrélations associées aux excitations "triples" vis-à-vis de l'état de champ moyen de référence d'autre part. Mathématiquement, les objets caractérisant ces quantités sont représentés sur l'ordinateur par des tenseurs à 6 indices, de tels tenseurs impliquant de stocker (à la fois sur disque et RAM) des tableaux multidimensionnels dont la dimension effective augmente rapidement avec le
nombre de nucléons dans le noyau. De fait, le traitement de ces tenseurs est aujourd'hui largement prohibitif pour les noyaux contenant plus de 100 nucléons. Réduire la taille (et le coût de stockage) de tels tableaux sans compromettre la précision des calculs est l'un des principaux problèmes ouverts dans la simulation des noyaux. L’objectif du postdoc consiste à considérer des idées issues des mathématiques appliquées pour parvenir à réduire efficacement la complexité numérique associée aux termes à 3 corps. Ces dernières sont basées sur le concept de factorisation de tenseurs et visent à décomposer les informations contenues dans le tenseur à 6 indices en somme de produits de tenseurs à 2 ou 3 indices, puis à tronquer la somme de manière contrôlée de telle sorte que le cout de stockage en est très largement réduit.
Etudes numériques de l’interaction laser plasma en champ intermédiaire sur le Laser Megajoule
Dans les expériences de Fusion par Confinement Inertiel (FCI), des faisceaux lasers intenses traversent une cavité remplie de gaz qui est rapidement ionisé. Ils se propagent dans le plasma ainsi formé et sont soumis à des instabilités néfastes pour réaliser la fusion. Les techniques de lissage optique consistent à briser les cohérences spatiales et temporelles des faisceaux lasers afin que leurs tailles et temps caractéristiques soient plus petits que ceux requis pour le développement des instabilités. La brisure de la cohérence spatiale est réalisée par une lame de phase qui va répartir l’énergie laser en une multitude de grains de lumière appelés points chauds. La brisure de cohérence temporelle s’effectue en élargissant le spectre grâce à un modulateur de phase et en dispersant chaque fréquence grâce à un réseau. La connaissance des caractéristiques des points chauds (largeur, longueur, contraste, temps de cohérence, vitesses …) est importante pour prédire le niveau des instabilités qui peut évoluer en fonction du temps et au cours de la propagation des faisceaux.
Par souci de simplicité, les instabilités se développant lors de l’interaction laser-plasma sont souvent étudiées autour du point de focalisation des faisceaux lasers. Or dans les expériences de FCI, les faisceaux sont focalisés près du trou d’entrée laser de la cavité qui a une longueur d’environ 1 cm. Des instabilités peuvent donc se produire à la fois en amont du meilleur foyer (à l'extérieur de la cavité) et aussi et surtout en aval de celui-ci (assez loin à l’intérieur de la cavité). Le but de ce contrat post-doctoral est d’étudier le développement des instabilités lorsqu’il se produit en champ intermédiaire (loin du meilleur foyer du faisceau laser). Nous nous concentrerons sur les instabilités de propagation (autofocalisation, diffuson Brillouin vers l’avant) et sur la rétrodiffusion Brillouin. Le travail sera réalisé grâce à des outils de diagnostics et des codes numériques existants.
Minimisation de l’empreinte laser par “machine learning” dans le contexte de la fusion par confinement inertiel
Le postdoc sera basé au laboratoire CELIA qui développe des études sur différents schémas de fusion inertielle par laser. Afin d’optimiser l’implosion de la cible, l’impulsion laser est mise en forme spatialement et temporellement, notamment par une pré-impulsion d’une centaine de picosecondes et d’intensité de quelques centaines de TW/cm2. Cependant cette dernière introduit des inhomogénéités spatiales à la surface et en volume de la cible, amplifiées par le comportement solide initial de la matière. Ces empreintes générées par la pré-impulsion vont dégrader la symétrie de la cible lors de son implosion, et donc diminuer l’efficacité du confinement inertiel. A l’heure actuelle, la plupart des modèles supposent un état plasma dès le début de l’interaction, et sont ainsi incapables de rendre compte de certaines observations expérimentales. Pour palier ce manque, nous venons de développer un outil original de simulation multi-physique qui inclut la transition de phase d’un matériau homogène induite par le laser. Afin d’atténuer l’effet d’empreinte laser, une mousse de polystyrène (matériau hétérogène) peut être déposée à la surface de la cible. Les réflexions optiques multiples dans la mousse lissent le profil spatial d’intensité laser, permettant ainsi de réduire les inhomogénéités d’absorption. Afin de réduire l’influence de l’empreinte laser, le post-doctorat aura vocation à développer un modèle microscopique décrivant l’évolution de la réponse optique d’une mousse lors de la transition solide-plasma. La première étape du travail consistera à coupler l’équation d’Helmholtz (décrivant la propagation laser) à un modèle de transition solide-
plasma, et d'étudier l'influence des paramètres. La seconde étape consistera à utiliser un algorithme d’intelligence artificielle (réseau de neurone) afin d’optimiser la réponse optique de la mousse.
Calculs d’évolution du combustible de cœurs de réacteurs par méthode de Monte-Carlo : vers une solution de référence
Bien que les calculateurs modernes permettent aujourd’hui d’accéder à des solutions dites « de référence » à l’aide de logiciels de simulation du transport des neutrons par méthode de Monte-Carlo, de telles solutions ne sont accessibles qu’en régime stationnaire.
Ce travail vise à explorer et tester, au moyen des outils actuels, des méthodes de pilotages des calculs Monte-Carlo permettant d’accéder à une solution de référence pour les grandeurs d’intérêt du cycle du combustible des réacteurs. Une telle solution, peu coûteuse en temps de calcul et occupation mémoire, présenterait un intérêt certain pour les processus de validation, maitrise des biais et incertitudes des outils de calcul.
Les études seront réalisées à l’aide de l’outil TRIPOLI-4® (couplé avec le solveur d’évolution déterministe MENDEL). Pour ce faire, des travaux approfondis devront être menés, par exemple, sur la représentation des fuites neutroniques, la normalisation des grandeurs calculées, la maîtrise du calcul de l’énergie déposée dans les différents milieux, le suivi détaillé de l’historique d’irradiation, l’interpolation des sections efficaces en fonction de la température, la sélection des isotopes d’intérêt. Il sera intéressant de comparer les méthodes mises en œuvre dans les différents outils de calcul d’évolution Monte Carlo existants.
Le post-doctorant sera positionné dans une équipe d’ingénieurs-chercheurs en physique des réacteurs. Il approfondira ses connaissances en simulations Monte Carlo et sur le processus de validation des grands logiciels de neutronique.
Développement d'une instrumentation multi-détecteurs modulaire pour la mesure de paramètres atomiques et nucléaires
Le projet LNE PLATINUM (PLATeforme d’Instrumentation NUmérique Modulable) a pour objectif de développer une plateforme modulable, dans le but de tester de nouvelles instrumentations utilisant deux ou plusieurs détecteurs en coïncidence. Le principe mis en œuvre dans ce projet s’appuie sur la détection simultanée d’interactions ayant lieu dans deux détecteurs différents, en recueillant des informations sur le type de particule et son énergie (spectroscopie). Ce principe est à la base de mesures absolues d’activité ou des systèmes actifs de réduction du fond continu pour améliorer les limites de détection. Mais il permet également de mesurer des paramètres caractérisant le schéma de désintégration, comme les coefficients de conversion interne, les rendements de fluorescence ou les corrélations angulaires entre les photons émis en cascade.
Fort de son expertise en données atomiques et nucléaire, le LNHB constate depuis de nombreuses années l’incomplétude des schémas de désintégration pour certains radionucléides. Ces schémas, établis lors de l’évaluation à partir des données mesurées existantes, présentent parfois des incohérences ou des transitions mal connues, en particulier en présence de transitions gamma fortement converties ou de très faible intensité (par exemple les études récentes sur 103Pa, 129I et 147Nd ont révélé de telles incohérences). Il apparaît donc important pour le LNHB de mieux maîtriser la technique de mesure en coïncidences, en tirant parti des nouvelles possibilités en termes d’acquisitions et d’horodatage des données pour apporter des compléments d’information sur les schémas de désintégration et contribuer à leur amélioration.
Interprétation des expériences SEFOR pour la validation multiphysique des simulations de Réacteurs à Neutrons Rapides
Dans le processus de Validation, Vérification de Quantification des Incertitudes (VVQI) des Outils de Calcul Scientifiques (OCS), la phase de validation se base sur l’exploitation des résultats expérimentaux et leur comparaison au calcul d’observables d’intérêt. Dans le cas de la neutronique, la base d’expériences concerne essentiellement des mesures obtenues en maquettes critiques à puissance nulle.
Toutefois, pour valider et qualifier les OCS pour des cœurs de puissance, l’inclusion des effets couplés est de première importance et il est nécessaire de prendre en compte un processus de VVQI « multiphysique ». Ce nouveau cadre nécessite de dépasser l’approche mono-discipline et d’intégrer l’impact des interactions des différents phénomènes sur les grandeurs d’intérêt : dépendances en température et densités des paramètres neutroniques (keff, distribution de puissance, contre-réactions spatiales), champ de température du triptyque combustible-gaine-caloporteur en fonction de la puissance dégagée, évolution de ces dépendances en irradiation.
En ce qui concerne la mesure de la contre-réaction par effet Doppler, il est intéressant d’exploiter le corpus d’expériences menées auprès du réacteur SEFOR dans les années 1970. Ce réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium à combustible mixte UPuO2 a été construit pour étudier l’effet Doppler, en support au programme de R&D sur les RNR aux US durant cette décennie (validation des codes de calculs de l’époque). Le cœur est basé sur un design spécifique qui permet de bien séparer l’effet Doppler lors de transitoires de réactivité.
Le travail proposé ici consiste en l’interprétation des expériences SEFOR (mesures en régimes nominal et transitoire) en mettant en œuvre une modélisation couplée neutronique/thermo-hydraulique/thermique combustible avec les OCS de dernière génération et de quantifier les impacts de cette modélisation sur les observables d’intérêt en comparant avec les résultats de calcul chainés classiques.
Développements des outils multiphysiques dédiés à la modélisation des réacteurs RNR-Na et études associées.
Le groupe sodium du DM2S (département du CEA Saclay) développe des outils numériques de couplage afin de réaliser des études de cas accidentels (transitoires rapides). Les domaines physiques concernés sont la neutronique, la thermo-hydraulique et la mécanique. Le sujet de ce post-doc s’inscrit dans ce cadre.
Il s’agit de mener plusieurs travaux : l’intégration d’un couplage au sein de la plateforme CORPUS, réaliser des études dans le but de tester les effets et introduire dans le couplage l’impact, sur l’écoulement du sodium, de la déformation des assemblages par la température, l’utilisation des sections efficaces neutroniques générées par le code APOLLO3, l’étude d’autres cas accidentels, et étendre la modélisation à l’échelle sous-canal et aiguille.