Modélisation CFD des mouvements de gaz en cavités salines
Storengy, société du groupe Engie, est l’un des leaders mondiaux en matière de stockage souterrain de gaz. Storengy opère en particulier des cavités salines de stockage de gaz naturel. Les cavités sont localisées dans des couches de sel gemme à environ 1km de profondeur ; elles ont un volume de plusieurs centaines de milliers de m3. Ces stockages souterrains assurent une réponse rapide aux pics de consommation de gaz et également à la modulation saisonnière de la demande. Ils contribuent aussi à la sécurité de la fourniture d’énergie en permettant de faire face aux défaillances temporaires de sources d’approvisionnement de gaz naturel.
Storengy SAS s’est tourné, courant 2019, vers le CEA pour avoir un appui sur ces aspects. Une étude intitulée « Modélisation du stockage de gaz (CH4 et H2) en cavités salines avec TrioCFD » s’est déroulée en 2020. Des premiers calculs pour des cavités parallélépipédiques (géométrie simplifiée) en VDF (différences finies) monophasique en régime incompressible et quasi-compressible ont été menés. Ceux-ci ont mis en évidence que le modèle quasi-compressible implémenté dans TrioCFD ne permettait pas de prendre en compte les effets de la stratification du gaz en cavité. Un nouveau modèle « weakly-compressible » a été développé afin de rendre compte de la spécificité des écoulements en cavité.
L'objectif est de poursuivre ces travaux et de développer une modélisation thermo-hydraulique sur la base du modèle TrioCFD du stockage d’hydrogène en cavité dans des cavités de forme réaliste et en tenant des conditions d’opération des cavités (phases d’injection et de soutirage). Les simulations seront, dans un premier temps, réalisées
en gaz sec en tenant compte des échanges thermiques avec le massif, puis de en prenant en compte des échanges de masse avec la saumure.
Traitement SLAM pour la navigation aidée par le terrain (Simultaneous Localization and Mapping)
Le post-doctorat se situe dans le contexte d’essais en vol d’un véhicule instrumenté (navette spatiale, capsule ou sonde) qui rentre dans l'atmosphère. Il s’agit de reconstruire, à partir de mesures (centrale inertielle, radar, ballon météorologique, etc.), la trajectoire et diverses quantités d'intérêt, afin de mieux comprendre les phénomènes physiques et de valider les modèles prédictifs. On s’est orienté vers des statistiques bayésiennes, associées à des méthodes par chaînes de Markov Monte Carlo (MCMC). Le post-doctorant aura pour mission de développer et d’étendre l'approche proposée, dans le cadre d'une collaboration scientifique avec Audrey Giremus, professeur à l’Université de Bordeaux et spécialiste du domaine. On cherchera en particulier à accroitre les performances d’échantillonnage en grande dimension. Une attention particulière sera portée à la problématique d'apprentissage automatique constituée par l'exploitation d'une base de données aérologiques. L'objectif final sera d'aboutir à un prototype évolutif qui, dédié à l'analyse post-vol des essais en vol, exploite les différentes sources d'information et les incertitudes associées. Les évaluations porteront sur des données simulées et réelles, avec comparaison à des outils existants. On s'efforcera de valoriser le travail par des communications et publications scientifiques.
Effet de la présence de TSV sur la fiabilité des interconnexions dans le cadre des capteurs photographiques 3 couches
Parce que la réduction des dimensions basée sur la loi empirique de Moore a atteint ses limites, une technologie d'intégration alternative, telle que l'intégration tridimensionnelle (3DI) devient le courant dominant pour de plus en plus d'applications telles que les capteurs d'image CMOS (CIS), les mémoires... La 3ème génération de CIS empile jusqu'à 3 puces interconnectées par une liaison hybride (hybrid bonding) et des vias traversant le silicium - haute densité (TSV-HD). Le bon fonctionnement et l'intégrité des dispositifs et des circuits doivent être maintenus dans une telle intégration, en particulier dans le voisinage proche des TSVs. Le budget thermique, la dilatation du cuivre (Cu pumping/protrusion), le gauchissement des plaquettes de silicium minces peuvent entraîner des problèmes de rendement électrique et de fiabilité et doivent être, en conséquence, étudiés.
Le travail consiste à évaluer l'impact du TSV sur les performances et la fiabilité (électromigration, claquage diélectrique, BTI...) des interconnexions (BEOL) et des composants actifs (FEOL). Les données acquises permettront de définir des règles de conception et en particulier une zone interdite/d'exclusion potentielle (KOZ) et de calibrer un modèle éléments finis.
Développement et application des méthodes de quantification inverse d'incertitudes pour la thermohydraulique dans le cadre du projet OECD/NEA ATRIUM
Concernant les méthodologies BEPU (Best Estimate Plus Uncertainty) pour l'analyse de sûreté des centrales nucléaires, l'une des questions cruciales est de quantifier les incertitudes d'entrée associées aux modèles physiques dans le code. Une telle quantification consiste à évaluer la distribution de probabilité des paramètres d'entrée nécessaires à la propagation de l'incertitude par une comparaison entre les simulations et les données expérimentales. Elle est généralement appelée Quantification d'Incertitude Inverse (IUQ).
Dans ce cadre, le Service de Thermohydraulique et Dynamique des Fluides (STMF) du CEA-Saclay a proposé un nouveau projet international au sein du groupe de travail WGAMA de l'OCDE/NEA. Il s'agit d'ATRIUM (Application Tests for Realization of Inverse Uncertainty quantification and validation Methodologies in thermal-hydraulics). Ses principaux objectifs sont de réaliser un benchmark sur des exercices pertinents de quantification de l'incertitude inverse (IUQ), de prouver l'applicabilité de la ligne directrice SAPIUM et de promouvoir les meilleures pratiques pour l'IUQ en thermohydraulique.
Il est proposé de quantifier les incertitudes associées à certains phénomènes physiques pertinents lors d'un accident de perte de réfrigérant (LOCA) dans un réacteur nucléaire. Deux exercices IUQ principaux de complexité croissante sont prévus. Le premier concerne l'écoulement critique à la rupture et le second est lié aux phénomènes de transfert thermique post-CHF. Une attention particulière sera consacrée à l'évaluation de l'adéquation des bases de données expérimentales pour l'extrapolation à l'étude d'un APRP dans un réacteur à échelle réelle. Enfin, les incertitudes du modèle d'entrée obtenues seront propagées sur un test d'effet intégral (IET) approprié pour valider leur application dans des expériences à plus grande échelle et éventuellement justifier l'extrapolation à l'échelle du réacteur.
Modélisation thermo-aéraulique d’un réacteur d’incinération
Le laboratoire des Procédés Thermiques Innovants (LPTI) du CEA Marcoule développe un procédé d’incinération-vitrification In-Can (PIVIC) visant le traitement des déchets mixtes organiques/métalliques générés par les installations de production du combustible MOX. Le programme de développement de ce procédé s’appuie sur des essais réalisés sur prototype échelle 1 mais également sur l’exploitation de l’outil de simulation numérique.
Le modèle thermo-aéraulique du réacteur d’incinération PIVIC, développé sous le logiciel Ansys-Fluent est bâti sur une articulation de modèles élémentaires (plasma, pyrolyse, combustion, transport particulaire).
Le travail proposé consiste à perfectionner le modèle, notamment en ce qui concerne les composantes pyrolyse/combustion : complexification de la chimie réactionnelle, prise en compte du caractère instationnaire du processus… Le niveau de représentativité du modèle thermo-aéraulique sera évalué sur la base d’une étude comparative exploitant des données expérimentales issues d’essais sur prototype. Parallèlement à ces travaux de développement, différentes études paramétriques seront réalisées afin de tester l’impact de certaines modifications de configuration du réacteur.
En plus des aspects de maîtrise et pilotage de l’incinération, un autre enjeu majeur du projet consiste à évaluer le taux d’encrassement radiologique des parois du réacteur lors de l’incinération d’un déchet contaminés en émetteurs alpha. L’évaluation de cet encrassement radiologique du réacteur s’appuiera sur un modèle d’entraînement particulaire (DPM) associé à un modèle d’interaction pariétal. Les résultats de simulation de taux d’encrassement seront confrontés à des données expérimentales issues d’analyses de dépôts collectés sur les parois du réacteur (essais réalisés en inactif avec simulants d’actinides). Ce travail comparatif pourra donner lieu à des modifications du paramétrage du modèle physique.
Etude théorique et expérimentale de la propagation de la lumière polarisée dans une structure OLED
En collaboration avec des chimistes du CEA Saclay et de l’université de Rennes, Le laboratoire LCEM du Leti s’intéresse à des nouvelles molécules chirales pour des sources OLED (Organic Light Emitting Device) capables d’émettre de la lumière circulairement polarisée (CP). L’intérêt de ces sources CPOLED est multiple et englobe aussi bien les micro-écrans que les applications pour la santé. Alors que l’état de l’art est assez fourni sur la partie chimique, peu d’études se sont penchées sur la génération et le transport de lumière dans les composants CPOLEDs. De la même manière, les conditions de mesure de la polarité de la lumière émise sont peu détaillées dans la littérature existante.
Au laboratoire LCEM où ces molécules chirales sont intégrées dans des dispositifs CPOLED, l’objectif est de concevoir des architectures OLEDs à même de mieux préserver la polarisation de la lumière. Pour cela, il est indispensable de comprendre la propagation de la lumière dans les empilements OLED d’un point de vue théorique et expérimental. Ce travail s’inscrit dans une collaboration plus large mise en place dans le projet ANR « i-chiralight » .
Nous proposons dans ce cadre une étude qui se déroulera en deux phases.
- Etude de matériaux émetteurs simples : Les matériaux à étudier seront des couches minces déposées sous vide en utilisant les moyens d’évaporation de couches minces disponibles au laboratoire. Les matériaux organiques utilisés seront fournis par nos partenaires chimistes de Saclay ou de Rennes. Des caractérisations optiques de type ellipsométrie, photoluminescence, … seront réalisés afin d’évaluer la performance des molécules en terme de rendement d’émission mais également en terme de pouvoir rotationnel de la lumière. Pour ce dernier point, un modèle permettant de calculer tous les termes des matrices de Müller est en cours de développement et la validation de celui-ci sera un travail à effectuer par le post-doctorant.
- Etude de composants OLED complets : Dans
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).
Développement et optimisation de techniques de rafinement de maillage adaptatif (AMR) pour des problèmes d'intéraction fluide/structure dans un contexte de calcul haute performance
Le CEA développe actuellement un nouveau code de simulation pour la mécanique des structures et des fluides compressibles : Manta. Ce code a pour double objectif d'unifier les fonctionnalités des codes historiques implicite et explicite du CEA et d'être nativement orienté vers le calcul intensif. Grâce à de nombreuses méthodes numériques (éléments finis, volumes finis, résolutions de problèmes implicites ou explicites, ...), Manta permet de simuler différents types de problèmes mécaniques dynamiques ou statiques pour la structure et le fluide, ainsi que l'interaction fluide-structure.
Dans le cadre de la recherche d'optimisation et de gain en temps de calcul, une des techniques incontournables pour améliorer la précision des solutions tout en maîtrisant les coûts de calcul est l'adaptation dynamique du maillage (ou AMR pour « Adaptive Mesh Refinement »).
Ce postdoc s'attache à la définition et à la mise en œuvre d'algorithmes d'AMR dans un contexte de calcul haute performance pour des problèmes faisant intervenir des fluides et des structures en intéraction.
Une tâche préliminaire consistera à implémenter des fonctionnalités de raffinement de maillage hiérarchique dans Manta (sous-découpage/fusion de cellules, transferts des champs, critères de raffinement, création de liaisons pour les « hanging-nodes »). Ces travaux se feront si possible en s'appuyant sur des librairies externes.
Dans un second temps, il s'agira d'optimiser les performances des calculs parallèles à mémoire distribuée. En particulier, il sera essentiel de définir une stratégie d'équilibrage de charge entre les processus MPI, en particulier dans le cadre de problèmes d'intéraction fluide/structure.
Enfin, en particulier pour des calculs explicites, il faudra définir et mettre en œuvre des techniques d'adaptation du pas de temps en fonction du niveau de raffinement.
Ces deux derniers points donneront lieu à une ou plusieurs publications dans des revues spécialisées.
Mise en œuvre de capteurs permettant le suivi en ligne de la corrosion des aciers inoxydables en milieu acide nitrique chaud et concentré
La maîtrise du vieillissement des matériaux des équipements (principalement en acier inoxydable) de l'usine de recyclage du combustible nucléaire usé, fait l'objet d'une attention permanente. Certaines installations de l’usine de la Hague devront d’ailleurs être remplacées très prochainement. Dans ce contexte, il est important pour l’industriel de développer des capteurs, résistants à l’acide nitrique concentré (˜ 2,5 mol/L) et à la température (de l’ambiante à 130 °C), permettant de suivre la corrosion en ligne.
L’objectif de ce travail est de fabriquer un capteur permettant de détecter la corrosion de l’acier.
Les challenges de ce sujet de post-doc sont essentiellement technologiques puisqu’il s’agira de développer ou d’utiliser des matériaux adaptés à des milieux acides nitriques concentrés et chauds.
Le laboratoire est spécialisé dans l'étude de la corrosion dans des conditions extrêmes. Il est composé d'une équipe scientifique très dynamique et motivée.
Dosimétrie pour l’environnement : étude, conception et réalisation d’une installation d’étalonnage pour les faibles débits d’équivalent de dose
Afin de répondre au besoin d'étalonnage des installations du réseau européen de surveillance de la radioactivité, le Laboratoire national Henri Becquerel du CEA List installe un faisceau d’étalonnage pour les faibles débits d’équivalent de dose, inférieurs au µSv/h. Le travail comporte une étude des performances des installations existantes et la conception, l'installation et la caractérisation dosimétrique d'une enceinte blindée permettant de réduire le bruit de fond radiatif et d’accueillir des sources de photons de faible activité.