Effet de la gravité sur l’agitation au sein d’un écoulement turbulent à bulles en canal
La compréhension des écoulements diphasiques et du phénomène d’ébullition représente un enjeu majeur pour le Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA) à la fois pour la conception et pour la sûreté des centrales nucléaires. Dans un Réacteur à Eau Pressurisée (REP), la chaleur dégagée par le combustible nucléaire est transférée à l’eau du circuit primaire. En situation accidentelle, l’eau du circuit primaire peut passer en régime d’ébullition nucléée, voire évoluer jusqu’à la crise d’ébullition. Si le phénomène d’ébullition fait l’objet de nombreuses études, la dynamique des bulles générées retient également une attention particulière au CEA. Cette thèse s’intéressera au couplage entre la turbulence générée par un écoulement cisaillé et l'agitation induite par les bulles. Son originalité réside dans l’étude de l’effet de la gravité, obtenue par l’inclinaison du canal, un paramètre susceptible de générer des régimes d’écoulement complexes.
Le travail, de nature expérimentale, s'appuiera sur le nouveau dispositif CARIBE du CEA Saclay. La mission du doctorant consistera à caractériser les différents régimes d’écoulement, puis à mener une étude détaillée de l’écoulement en mettant en place une métrologie spécifique (notamment Particule Image Velocymetry (PIV), anémométrie à film chaud, sondes optiques). Mené au sein du laboratoire LE2H, le projet bénéficiera d'une collaboration étroite avec le LDEL (CEA Saclay) et l’IMFT (Toulouse). Le doctorant évoluera dans un environnement dynamique avec d'autres doctorants et présentera ses travaux dans des conférences nationales et internationales.
Nous recherchons un(e) candidat(e) en mécanique des fluides avec un intérêt marqué pour l’expérimentation (stage M2 possible). Cette thèse offre l’opportunité de développer une expertise en instrumentation, analyse de données et écoulements diphasiques turbulents, des compétences très valorisées dans les secteurs de l'énergie, de l'industrie et de la recherche académique.
Étude des solidifications locales dans un Réacteur à Sels Fondus
Dans un Réacteur à Sels Fondus (RSF), le combustible nucléaire se présente sous forme de sel liquide à haute température, qui est son propre caloporteur. Certains transitoires accidentels (sur-refroidissement du sel, fuite) peuvent causer des solidifications locales d'une partie du sel combustible. Ces solidifications ont un impact sur l'écoulement du sel dans le cœur, ainsi que son comportement neutronique, et peuvent mener à des échauffements locaux importants de parois. Ces transitoires sont encore peu étudiés, alors qu'ils ont un impact majeur sur la sûreté et le design d'un RSF.
L'objectif de la thèse est d'étudier différents transitoires accidentels qui peuvent mener à des solidifications locales, et d'étudier l'impact neutronique, thermique et thermo-hydraulique de ces solidifications sur les divers composants du cœur. Ces analyses seront menées en utilisant des outils multi-physiques adaptés aux RSF, tel que le code de CFD TrioCFD, ses extensions neutroniques TRUST-NK et de transport réactif Scorpio, ainsi que le code de neutronique déterministe APOLLO3. Afin de concilier précision et temps de calcul, plusieurs modélisations pourront être envisagées en fonction des transitoires étudiés : modélisation 1D / 3D turbulente (RANS, LES) pour la thermo-hydraulique, diffusion / transport SPn / transport Sn pour la neutronique.
Optimisation géométrique sous contrainte de frontières immergées pour la simulation thermo-hydraulique d'écoulements turbulents en volumes finis
La problématique sous-jacente à ce sujet de thèse concerne la mitigation des conséquences liées à un accident de perte de réfrigérant primaire dans un réacteur à eau pressurisée à boucles. Il est de la plus haute importance de minimiser le débit d’eau sortant de la cuve et de gérer le mieux possible les réserves d’eau froide disponibles pour les injections de sûreté, afin d’empêcher ou de retarder le dénoyage du cœur, sa surchauffe et sa possible dégradation. On envisage pour cela l'utilisation de dispositifs passifs fonctionnant sur le principe des diodes hydrauliques, tels que les limiteurs de débit en cuve ou les accumulateurs avancés. Le sujet de cette thèse est l'optimisation géométrique de ce type de dispositif, décrit par une frontière immergée, afin de maximiser son efficacité de service.
Plusieurs thèses précédentes ont permis l'introduction dans le logiciel TRUST/TrioCFD de la méthode de frontière immergée Penalized Direct Forcing (PDF), sous diverses discrétisations spatiales et pour des régimes laminaires et turbulents. De même, elles ont statué sur les possibilités d'optimisation géométrique déterministe en éléments finis, au cours de la simulation, en s'appuyant sur l'utilisation de la méthode PDF.
Après une étude bibliographique de ce type de méthode, on s'intéressera aux possibilités de sa mise en œuvre pour des écoulements turbulents, en discrétisation volumes finis, à la prise en compte des contraintes et à la comparaison avec des calculs de référence. Cette comparaison sera réalisée sur des configurations académiques et industrielles (accumulateurs et limiteurs de débit).
Le doctorant sera intégré dans une unité de recherche sur les systèmes nucléaires innovants au sein de l'Institut IRESNE (CEA Cadarache). Il développera des compétences en mécanique des fluides et méthodes numériques.
Ebullition nucléée au sein de substrats poreux : étude du couplage entre la composition du caloporteur et la vaporisation capillaire
Dans la recherche de la meilleure combinaison des énergies décarbonées pour faire face à l’enjeu du changement climatique, l’énergie nucléaire joue un rôle crucial en association avec les énergies renouvelables intermittentes. Dans ce contexte, la performance et la sûreté des réacteurs à eau pressurisés (REP) composant le parc français est un champ de recherche toujours actif et à forte valeur ajoutée.
Dans ces réacteurs, l’établissement d’un régime d’ébullition nucléée sous-refroidie est possible notamment lorsque la température locale du caloporteur devient supérieure à la température de saturation de ce dernier. Cette ébullition à la paroi favorise la formation de dépôts poreux d’oxydes métalliques. Au sein des porosités du dépôt, des germes gazeux peuvent être piégés et permettre l’apparition du phénomène d’ébullition nucléée sur ces surfaces. La vapeur formée selon un mécanisme de wick boiling, ou vaporisation capillaire, s’échappe ensuite par les cheminées du dépôt. La chimie du caloporteur considéré influence non seulement les propriétés thermodynamiques du fluide (température de saturation, chaleur latente), mais surtout ses propriétés interfaciales (tension de surface et angles de mouillage solide/liquide/gaz). Ces propriétés interfaciales contrôlent directement les forces capillaires en jeu dans les dépôts et donc le déclenchement et la dynamique de l’ébullition sous-refroidie. A ce jour, l’influence de la chimie du caloporteur sur le déclenchement et le développement de l’ébullition nucléée sous-refroidie au sein de surfaces chauffantes poreuses reste encore mal comprise. Ainsi, l’objectif de cette thèse est d’étudier de façon systématique l’influence couplée de la composition du caloporteur et de la vaporisation capillaire sur l’ébullition nucléée au sein de substrats poreux chauffés par conduction.
Dans ce travail de thèse, il est proposé de suivre une démarche expérimentale afin d’étudier l’influence de la chimie du caloporteur sur la tension de surface et sur l’angle de contact pour caractériser le mouillage par le fluide de substrats poreux idéalisés. Des essais d’ébullition convective sous-refroidie seront aussi réalisés avec une caractérisation du phénomène par ombroscopie et thermométrie à fibre optique.
La thèse se déroulera au sein des laboratoires de thermohydraulique du cœur et des circuits (LTHC) et de maîtrise de la contamination, de la chimie des caloporteurs et du tritium (LMCT) du CEA IRESNE (Cadarache, France). L’étudiant(e) mènera ses travaux sous la direction du Pr. Benoit Stutz de l'Université Savoie-Mont-Blanc. Lors de ce projet de recherche, le doctorant pourra développer ses compétences dans le domaine de la physico-chimie des interfaces et de la thermohydraulique diphasique, par l’observation, la caractérisation et la modélisation de phénomènes multi-physiques complexes.
Analyse des écoulements fortement concentrés en bulles par simulations numériques à interfaces résolues
Pour évaluer la sûreté des installations industrielles, le CEA développe, valide et utilise des outils de simulation en thermohydraulique. Il s’intéresse en particulier à la modélisation des écoulements diphasiques par différentes approches de la plus fine à la plus intégrale. Afin de mieux comprendre les écoulements diphasiques, le Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides (STMF) travaille à la mise en place d’une démarche multiéchelle où la simulation fine (DNS, Simulation Numérique Directe diphasique) est utilisée comme « expérience numérique » pour produire des données de référence. Ces données sont ensuite moyennées pour être comparées aux modèles utilisés à plus grande échelle. Cette démarche est appliquée aux écoulements haute-pression où le régime à bulles est conservé même à des taux de vide très élevés. Le Laboratoire de Développement aux Echelles Locales (LDEL) du STMF a développé une méthode de DNS (Front-Tracking) implémentée dans son code Open-Source de thermo-hydraulique : TRUST/TrioCFD [1] (code orienté objet, C++). Lors de plusieurs thèses, elle a permis de réaliser des simulations massivement parallèles pour décrire finement les interfaces sans recourir à des modèles, par exemple dans des groupes de bulles (appelés essaims) [2][3][4]. Actuellement appliquée aux écoulements diphasiques à bulle peu concentrés (fraction volumique inférieure à 12%), l’objectif de cette thèse sera d’évaluer et utiliser la méthode à plus fort taux de vide. Des simulations HPC de référence d’essaims de bulles seront menées sur des supercalculateurs nationaux jusqu’à des taux de présence de gaz de 40%. La qualité des résultats sera évaluée avant d’extraire des modèles physiques d’interactions de bulles dans ces conditions. L’objectif de ces modèles est de retrouver la dynamique globale de l’essaim de bulle à des résolutions beaucoup plus faibles, et ainsi permettre d’étudier des systèmes plus gros et en déséquilibre (forçage externe de génération de turbulence imposée, gradient de vitesse moyenne imposé, …). Ce travail s’inscrit dans un projet ANR, en collaboration avec l’IMFT et le LMFL en parallèle de 2 autres thèses dont une expérimentale au LMFL avec lesquelles il y aura de fortes interactions. Il inclut des aspects numériques (validation), des développements informatiques (C++), ainsi qu’une analyse physique des écoulements obtenus. L'étudiant sera accueilli au LDEL au sein d'un groupe de chercheurs et de nombreux doctorants. En collaboration avec le monde académique, il publiera ses travaux et participera à des conférences internationales.
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.
Développement des accumulateurs zinc sodium-ion aqueux pour stockage stationnaire des énergies renouvelables
Dans un contexte mondial de déploiement massif d’énergies renouvelables, la production et son stockage deviennent de plus en plus indissociables. Les systèmes de stockage électrochimique sous forme de batteries (BESS) suivent actuellement une forte croissance sur le marché. Ces systèmes diffèrent radicalement de la mobilité électrique par leur différences concernant leurs spécificités (coût, sécurité, durabilité). Face aux limites des batteries Li-ion (risques d'incendie, criticité du lithium et du cobalt, coûts de production), la technologie aqueuse zinc / sodium-ion présente une alternative de rupture. Basée sur des matériaux abondants, non toxiques et intrinsèquement sûrs, elle offre un potentiel unique pour le stockage de longue durée à faible impact environnemental.
La filière des accumulateurs au zinc se heurte à des verrous scientifiques limitants la réversibilité et la durée de vie en cyclage, notamment la formation de dendrites de zinc et l'instabilité de la cathode. Ce projet de thèse propose de surmonter ces obstacles par une stratégie de recherche et développement des électrodes innovantes basées sur la transformation réversible de zinc en phosphate de zinc en milieu de phosphate de sodium aqueux. Ce choix d’électrolyte permet l’utilisation des électrodes positives de type sodium-ion ainsi que des séparateurs « AGM » (absorptive glass mat) développés notamment pour les batteries Plomb.
Les travaux de la thèse se focalisèrent sur des études électrochimiques expérimentales combinées à une modélisation multiphysique du système à l’échelle « cellule », prenant en compte la thermodynamique et la cinétique des réactions incluses. Cette approche permettra d'explorer rapidement un vaste espace de conception pour identifier les conditions permettant une mise en échelle et un transfert vers l’industrie répondant aux impératifs de souveraineté énergétique et d'économie circulaire.
Méthodes d’analyse innovantes des étapes critiques et des mécanismes limitants pour la formation des batteries
Le secteur de la fabrication des batteries en Europe connait aujourd'hui une forte expansion. La formation électrique, étape qui suit l'assemblage de la batterie jusqu'à sa livraison est peu étudiée dans les milieux universitaires alors qu’elle conditionne les performances des batteries (durée de vie, résistance interne, rebuts…). Pourtant c'est une étape essentielle du procédé qui est à la fois longue et couteuse (>30 % du coût de fabrication des cellules, 25 % du coût des équipements d'une Gigafactory) et qui gagnerait grandement à être optimisé.
Nous proposons d'étudier dans cette thèse la formation des batteries par des techniques complémentaires innovantes operando et non intrusives. L’objectif est d'identifier les mécanismes limitants de l’étape d’imprégnation des porosités des électrodes par l’électrolyte et de l’étape de 1ère charge de la batterie. Le candidat sera chargé de mettre en œuvre des méthodes expérimentales pour le suivi et l’étude de ces mécanismes. Il mettra en place une méthodologie et un protocole d’étude, combinant mesures électrochimiques et caractérisations physiques en fonctionnement et non intrusives. Il étudiera et optimisera le temps de formation et le contrôle qualité durant ses étapes.
Méthode de sensibilité adjointe appliquée aux modélisations industrielles des cœurs de reacteurs nucleaires
L’objectif de cette thèse est de poser les bases pour l’application de la méthode de sensibilité adjointe aux modélisations industrielles des cœurs de réacteur nucléaire à combustible solide. Le sujet principal sera la prise en compte du couplage entre neutronique, thermohydraulique, thermique crayon et évolution.
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.