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.
Modélisation multi-physique d’un réacteur nucléaire à eau légère fonctionnant en convection naturelle : étude de solutions innovantes pour le démarrage et le contrôle en puissance
Plusieurs concepts récents de Small Modular Reactors (SMR) à spectre thermique reposent sur une circulation de l’eau en convection naturelle dans le circuit primaire, en fonctionnement normal et accidentel, pour augmenter la sûreté intrinsèque. L’absence de pompes primaires dans ce genre de SMR complique singulièrement les phases de démarrage et de montée en puissance, ce qui conduit à développer des procédures spécifiques de démarrage pour chauffer l’eau du circuit primaire et permettre au réacteur d’atteindre son état nominal de fonctionnement dans le respect des exigences de sûreté. L’établissement de telles procédures nécessite des simulations au moyen de modèles validés afin de bien comprendre le comportement du réacteur dans ces phases et de délimiter le domaine paramétrique accessible.
L’enjeu de la thèse est de développer un modèle numérique capable de simuler le démarrage et la montée en puissance d’un SMR fonctionnant en convection naturelle et de fournir des éléments de validation du modèle. Le travail de thèse vise aussi à proposer une méthodologie d’optimisation des systèmes de pilotage du réacteur pour permettre un démarrage rapide dans le respect des critères de sûreté.
La problématique du démarrage fait intervenir deux disciplines : la neutronique et la thermohydraulique, ce qui demande la mise en œuvre d’une modélisation multi-physique couplée. En particulier, trois outils de calculs seront couplés lors de la thèse : CATHARE3 (thermohydraulique système), FLICA5 (thermohydraulique cœur), et APOLLO3 (neutronique).
Le doctorant sera positionné au sein d’équipes de neutroniciens et thermohydrauliciens de l'institut IRESNE (CEA Cadarache). Il développera des compétences en physique et modélisation des réacteurs nucléaires.
Thermorégulation diphasique pour les composants semiconducteurs Ultra Grand Gap en diamant
Cette thèse porte sur l’étude d’un système de thermorégulation diphasique pour composants à semiconducteur de puissance ultra grand gap en diamant. Les composants en diamant ayant la particularité d’avoir leur résistance à l’état passant qui diminue lorsque la température augmente, cette thermorégulation vise à optimiser les pertes globales du système ainsi que d’assurer un équilibrage des températures ainsi que des contraintes entre plusieurs composants en diamant en parallèle.
Basé sur un cahier des charges qui sera défini en début de thèse (calories à évacuer, plage de température à réguler), le doctorant aura pour objectif de :
- définir une stratégie de contrôle de la température
- définir un couple matériau / fluide le mieux approprié
- Dessiner le système de thermorégulation
- Mettre en œuvre et valider expérimentalement le système proposé
La thèse abordera des aspects de simulations numérique (modélisation de composants et du système de thermorégulation) ainsi que des essais expérimentaux via la réalisation d’un prototype de TRL3-4 intégré à un système de convertisseur intégrant des diodes en diamant.
L’objectif final est de pouvoir mettre en avant un système innovant modélisé et démontré expérimentalement, où la stratégie de contrôle et les éléments dimensionnels et opératoires dimensionnants auront été investigués et optimisés.
Caractérisation des chemins de réaction conduisant à l’emballement thermique pour nouvelles technologies de batteries
Le développement de cellules tout-solide n’est plus une simple hypothèse aujourd’hui. Dans le cadre du projet Safelimove, nous avons évalué la sécurité de cellules polymères hybrides de 1 Ah et 3 Ah, ce qui a conduit à une publication. De plus, dans le projet Sublime, nous avons évalué la sécurité de cellules 1 Ah à base de sulfure (argyrodite), une publication est actuellement en cours de soumission.
Avec l’arrivée de ces nouvelles cellules, il devient encore plus crucial d’accompagner leur développement par une évaluation fine de la sécurité et l’identification des mécanismes complexes mis en jeu. Les grands instruments tels que le synchrotron et le réacteur à neutrons représentent une opportunité puissante pour atteindre cet objectif, car ils offrent les meilleures résolutions spatiale et temporelle. Par exemple, grâce à la radiographie RX rapide de l’ESRF, il est possible de visualiser l’intérieur de la cellule lors de l’emballement thermique, permettant ainsi d’identifier localement l’impact des réactions (électro)chimiques sur la microstructure des composants et de valider nos modèles d'emballement thermique. De plus, avec la diffusion de rayons X aux grands angles (WAXS), il est possible de suivre in situ l’évolution de la structure cristalline des matériaux actifs pendant une réaction très rapide d’emballement thermique. En effet, l’utilisation de rayonnement synchrotron permet de réaliser un diffractogramme toutes les 3 millisecondes. Le faisceau de neutrons de l'ILL nous permet également de suivre l’évolution de la structure du lithium métal avant, pendant et après l’emballement. Il est important de souligner que ces trois techniques mentionnées sont aujourd’hui maîtrisées par les équipes du LAPS et ont, ou vont faire, l’objet de publications.
Par ailleurs, de nouvelles techniques complémentaires pourront être explorées, pour l’étude de l’impact des contraintes thermiques/mécaniques sur les matériaux actifs à partir de la ligne de lumière BM32, ou l’évaluation des degrés d’oxydation des métaux via la spectroscopie d’absorption des RX (XAS) sur ID26.
Des caractérisations en laboratoire plus classiques seront également effectuées, telles que la DSC, l’ATG-MS et la DRX.
Dans le cadre de nos différentes collaborations, pour le système tout-solide, le matériau actif de l’électrode positive sera très probablement du NMC, voire du LMFP en cas de difficultés d’approvisionnement. L’électrolyte utilisé sera à base de sulfure, voire d’halogénure, tandis que l’anode sera composée de lithium métal voire d’un alliage de lithium. Si le temps le permet, un système post Na-ion sera envisagée à partir de la 2ème année. La thèse visera, entre autres, à identifier, en fonction des matériaux utilisés, s’il y a des réactions avant la déstabilisation de la cathode, si l’électrolyte solide réagit avec l’oxygène de la cathode ou avec le matériau anodique, et si ces réactions parallèles contribuent à une meilleure ou une moins bonne sécurité de la cellule.
Les trois années de la thèse se dérouleront de la manière suivante : la première année sera consacrée à la recherche bibliographique et à la caractérisation de la technologie sulfure. Suite au premier CSI et à l'identification de l'ampleur des travaux en cours sur le sulfure, la seconde année s’appliquera à la technologie sodium-ion ou sur l'approfondissement de la technologie sulfure. Finalement, la troisième année, en plus de la rédaction de la thèse, se focalisera plus précisément sur l’impact des matériaux ainsi identifiés sur la sécurité.
Couplage entre transfert de masse et hydrodynamique diphasique : investigation expérimentale et validation/calibration de modèles
Dans le contexte de la transition énergétique et de la place cruciale du nucléaire dans un mix énergétique décarboné, comprendre, puis réfléchir à l’atténuation des potentielles conséquences de tout accident conduisant à la fusion, même partielle, du cœur d’un réacteur représente une direction de recherche impérative.
Lors d'un accident avec fusion du cœur, un bain de matière en fusion, appelée corium, peut se former en fond de cuve. Le bain de corium n'est pas homogène et peut se stratifier en plusieurs phases immiscibles. La composition du bain peut évoluer au cours du temps par assimilation progressive de matériaux. Avec l'évolution de la composition globale du corium les propriétés des différentes phases évoluent. Ceci peut induire un réarrangement vertical des phases. Lors de ce réarrangement des gouttes peuvent se former à partir d’une phase et traverser l'autre. L'ordre des phases ainsi que leurs mouvements sont de première importance, car ils influencent grandement les flux thermiques transmis à la cuve. Mieux comprendre ces phénomènes permet d'améliorer la sûreté des réacteurs actuels et futurs.
Des modélisations ont déjà été réalisées, mais elles manquent de validation et de calibration. Les expériences prototypiques (avec des matériaux réellement présents dans un réacteur) sont difficiles à mettre en place et à court terme aucune n'est prévue. Le présent sujet de thèse propose d’étudier expérimentalement, d’une part les transferts de masse entre une goutte et le milieu continu qu’elle traverse et d’autre part la formation des gouttes. Un système simulant à base d'eau est envisagé pour permettre une instrumentation locale. Le but est de valider et calibrer les modèles existants, voire en développer de nouveaux, avec en ligne de mire la possibilité de capitaliser ces résultats dans la plateforme logiciel PROCOR. Le dispositif expérimental serait construit et opéré au laboratoire LEMTA de l'université de Lorraine où le doctorant serait détaché.
La thèse sera principalement expérimentale avec un volet utilisation de codes pour leur calage, et validation, mais aussi la création de l’expérience. Cette thèse se déroulera en collaboration entre les laboratoires LMAG du CEA IRESNE Cadarache et LEMTA de l’université de Lorraine. Le doctorant sera basé au LEMTA à Nancy, où les expériences seront réalisées, tout en étant salarié CEA. Le doctorant profitera ainsi à la fois des compétences du LEMTA en ce qui concerne le développement de dispositifs expérimentaux, les transferts dans les fluides et la métrologie, ainsi que des compétences du LMAG en ce qui concerne la modélisation des transferts de masses, la mise en équation, la simulation numérique notamment dans le domaine des accidents nucléaires graves. Le doctorant interagira régulièrement avec les équipes du CEA qui suivront de près son travail. Il sera donc amené à régulièrement se rendre sur le site CEA de Carache.
Il sera intégré à un environnement dynamique composé de chercheurs et d'autres doctorants. Le candidat devra avoir des connaissances en phénomènes de transferts (de masses notamment), ainsi qu'une appétence certaine pour les sciences expérimentales.
Comprendre les signaux émis par les liquides en mouvement
L'élasticité est l'une des plus anciennes propriétés physiques de la matière condensée. Elle s'exprime par une constante de proportionnalité G entre la contrainte appliquée (s) et la déformation (?) : s = G.? (loi de Hooke). L'absence de résistance à la déformation de cisaillement (G' = 0) indique un comportement de type liquide (modèle de Maxwell). Longtemps considérée comme spécifique aux solides, l'élasticité de cisaillement a récemment été identifiée dans les liquides à l'échelle submillimétrique notamment mis en évidence par un groupe au Laboratoire Léon Brillouin [1].
L'identification de l'élasticité de cisaillement des liquides (G' non nul) est une promesse de découverte de nouvelles propriétés liquides. Nous avons ainsi montré qu'un liquide confiné change de température sous l'effet d'un écoulement. Pourtant, aucun modèle classique (Poiseuille, Navier-Stokes, Maxwell) ne prédit cet effet, car sans corrélation à longue portée entre les molécules (c'est-à-dire sans élasticité), l'écoulement est dissipatif, donc athermique. Pour qu'un changement de température soit induit par l'écoulement (sans source de chaleur), le liquide doit présenter une élasticité et cette élasticité doit être sollicitée mécaniquement [1,2]. La thèse de doctorat explorera la conversion de l'énergie mécanique de l'écoulement en températures hors-équilibre (Non-Fourier) [2]. Nous exploiterons notamment cette capacité de conversion pour développer une nouvelle génération de systèmes microfluidiques (brevet FR2206312).
Nous explorerons également l'impact du mouillage sur l'écoulement et, réciproquement, nous examinerons comment l'écoulement liquide modifie la dynamique solide (THz) du substrat [3]. Des méthodes performantes, disponibles uniquement dans les Très Grandes Installations de Recherche (TGIR) comme l'ILL, seront utilisées pour sonder la dynamique hors-équilibre des phonons. Enfin, nous renforcerons nos collaborations existantes avec des théoriciens.
Le sujet de thèse porte sur le mouillage, les effets thermiques macroscopiques, la dynamique des phonons et le transport liquide.
Références:
1. A. Zaccone, K. Trachenko, “Explaining the low-frequency shear elasticity of confined liquids" PNAS, 117 (2020) 19653–19655. Doi:10.1073/pnas.2010787117
2. E. Kume, P. Baroni, L. Noirez, “Strain-induced violation of temperature uniformity in mesoscale liquids” Sci. Rep. 10 13340 (2020). Doi: 10.1038/s41598-020-69404-1.
3. M. Warburton, J. Ablett, P. Baroni, JP Rueff, L. Paolasini, L. Noirez, “Identification by Inelastic X-Ray scattering of bulk alteration of solid dynamics due to Liquid Wetting”, J. of Molecular Liquids 391 (2023) 123342202.
Analyse multi-modale par résonance magnétique nucléaire in situ des phénomènes électrochimiques dans des prototypes de batteries commerciales
Le développement des technologies de stockage d'énergie électrochimique est impossible sans une compréhension à l'échelle moléculaire des processus tels qu'ils se produisent dans les dispositifs commerciaux pratiques. Certains aspects de la conception des batteries, tels que la composition chimique et l'épaisseur des électrodes, ainsi que la configuration des collecteurs et des languettes de courant, influencent les distributions de densité de courant électronique et ionique et déterminent les limites cinétiques du transport ionique à l'état solide. Ces effets, à leur tour, modulent les performances et la longévité globales des batteries. Pour ces raisons, les résultats des tests de piles boutons conventionnelles ne convergent souvent pas vers des cellules commerciales hautes performances. Les préoccupations de sécurité liées à la forte densité énergétique et aux composants inflammables des batteries constituent un autre sujet crucial pour la conversion des énergies fossiles aux énergies vertes.
La spectroscopie et l'imagerie par résonance magnétique nucléaire (RMN, IRM) sont exceptionnellement sensibles à l'environnement structurel et à la dynamique de la plupart des éléments présents dans les matériaux actifs des batteries.
Récemment, des méthodes de RMN et d'IRM à balayage de surface prêtes à l'emploi ont été introduites. Dans le cadre de la recherche électrochimique fondamentale, la fusion de deux concepts innovants et complémentaires au sein d'un dispositif multimodal (RMN-IRM) permettrait de proposer diverses solutions analytiques et des mesures fiables de la performance des batteries pour le monde universitaire et le secteur de l'énergie.
Ce projet vise à développer un cadre analytique avancé pour l'analyse in situ de phénomènes fondamentaux tels que le transport d'ions à l'état solide, l'intercalation et les transitions de phase associées, la dynamique du placage métallique, la dégradation des électrolytes et les défauts mécaniques dans les batteries Li-ion et Na-ion commerciales, dans diverses conditions de fonctionnement. Une gamme de capteurs multimodaux (RMN-IRM) sera développée et utilisée pour l'analyse approfondie des processus électrochimiques fondamentaux dans les cellules et les petits packs de batteries commerciaux.