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.
Modélisation de la Condensation en Paroi et des Interactions avec le Film Liquide
Dans cette thèse, on s’intéresse à la modélisation des transferts de masse et d’énergie associés à la condensation pariétale pour un écoulement turbulent d’un mélange de vapeur et de gaz incondensables. L’écoulement est diphasique, en régime turbulent, où les modes de convection forcée, mixte et naturelle peuvent être rencontrés. Le cadre de ce travail est l’approche RANS des équations de Navier–Stokes compressibles, où la condensation en paroi sera décrite par des fonctions de paroi semi-analytiques développées dans un précédent travail de thèse cite{iziquel2023}. Ces fonctions intègrent les différents modes de convection ainsi que les phénomènes d’aspiration et d’interdiffusion des espèces, mais négligent la présence du film liquide.
Dans la littérature, l’effet de la formation et de l’écoulement du film liquide sur les transferts de masse et d’énergie est souvent négligé, car on considère qu’en présence de gaz incondensables, la résistance de la couche gazeuse à la diffusion de la vapeur est nettement plus importante que la résistance thermique du film liquide.
L’objectif de cette thèse est d’améliorer la prédiction des transferts thermique et massique par l’investigation, au-delà de la résistance thermique du condensat, de l’effet dynamique du liquide et de son interaction avec la couche gazeuse de diffusion lors de la condensation pariétale, en considérant d’abord un écoulement de film laminaire, puis en tentant de prendre en compte le régime turbulent.
Dans la phase gazeuse, le modèle de fonctions de paroi développé dans la thèse de A. Iziquel (2023) pour un mélange binaire de vapeur et d’un gaz incondensable sera étendu aux mélanges de vapeur et de $n>1$ gaz incondensables (N2, H2, …) afin de traiter la thématique du risque hydrogène.
La validation des modèles implantés sera effectuée sur la base de résultats d’expériences à effets séparés (SET) et à effets couplés (CET) disponibles dans la littérature (Huhtiniemi, COPAIN, ISP47-MISTRA, ISP47-TOSQAN, RIVA). Les comparaisons à l’échelle CFD, avec des fonctions de paroi pour la condensation négligeant le film sur des cas tests de la littérature et des expériences de condensation (COPAIN), permettront d’évaluer l’impact de cette hypothèse ainsi que l’apport de la nouvelle modélisation en termes de précision et de coût de calcul.
Modélisation des phénomènes thermo-aérauliques dans la tuyère plasma du procédé ELIPSE
Le procédé ELIPSE (Élimination de LIquides par Plasma Sous Eau) est une technologie innovante dédiée à la minéralisation des effluents organiques. Il repose sur la génération d’un plasma thermique en immersion totale dans une enceinte réacteur remplie d’eau, permettant d’obtenir des températures très élevées et des conditions réactives favorables à la décomposition complète des composés organiques.
Le travail de thèse proposé a pour objectif le développement d’un modèle numérique multi-physique décrivant le comportement du procédé, en particulier dans la tuyère plasma, zone clé où le jet gazeux à haute température issu de la torche interagit avec les liquides injectés.
La démarche reposera sur la modélisation thermo-aéraulique couplée, intégrant la dynamique des écoulements, les transferts thermiques, les changements de phase et la turbulence. L’utilisation d’outils de simulation numérique (CFD) permettra de caractériser les mécanismes d’interaction plasma/liquide et d’optimiser la géométrie et les conditions opératoires du procédé. Cette modélisation sera confrontée et validée par des expérimentations complémentaires, réalisées sur le procédé ELIPSE, afin d’acquérir les données nécessaires à la calibration et à la validation du modèle numérique.
Ces travaux s’inscrivent en complément de recherches antérieures ayant conduit à l’élaboration de modèles du comportement thermique et hydraulique de la torche plasma et de l’enceinte réacteur. L’intégration du modèle développé au sein de cet ensemble permettra d’aboutir à une représentation globale et cohérente du procédé ELIPSE. Une telle approche constitue une étape déterminante en vue de l’optimisation du procédé et de son passage à l’échelle industrielle.
Le profil recherché pour ce projet est celui d’un(e) étudiant(e) en dernière année de master ou d’école d’ingénieur, issu(e) d’une formation en génie des procédés et/ou en simulation numérique, disposant d’un goût prononcé pour la modélisation.
Au cours de cette thèse, le doctorant développera et renforcera ses compétences en modélisation numérique multi-physique, en simulation CFD avancée et en analyse thermo-aéraulique de procédés complexes. Il acquerra également une solide expérience dans le traitement des déchets, thématique en plein essor au niveau industriel et environnemental. Ces compétences offriront de réelles opportunités professionnelles dans les domaines de la recherche appliquée, de l’ingénierie des procédés, de l’énergie et de l’environnement.
Mise au point des nouveaux modèles pour l’étude d’accidents hypothétiques dans des réacteurs à neutrons rapides de quatrième generation
Les écoulements diphasiques multicomposants associés à des problèmes d'interaction fluide-structure (FSI) peuvent se produire dans une très grande variété d'applications d'ingénierie, parmi lesquelles les accidents graves hypothétiques postulés dans les réacteurs à neutrons rapides au sodium et au plomb de génération IV (respectivement SFR et LFR).
Dans les SFR, l’Accident de Dimensionnement du Confinement (ADC en français, HCDA en anglais) est considéré l'accident hypothétique le plus grave: ici la fusion partielle du coeur du réacteur interagit avec le sodium et crée une bulle de gaz à haute pression, dont l'expansion génère des ondes de choc et est responsable du mouvement du sodium liquide, ce qui pourrait endommager les structures internes et environnantes.
Le LFR présente l'avantage que, contrairement au sodium, le plomb ne réagit pas chimiquement avec l'air et l'eau et qu'il est donc antidéflagrant et ininflammable. D'une part, cela permet d'avoir un générateur de vapeur à l'intérieur du liquide de refroidissement primaire. D'autre part, les ruptures de tubes de générateur de vapeur (SGTR en anglais) doivent être étudiées afin de garantir que, dans le cas de cet accident hypothétique, l'intégrité de la structure est préservée. Au cours de la première phase d'un SGTR, on suppose que l'eau à haute pression et à haute température du générateur de vapeur pénètre à l'intérieur de l'enceinte de confinement primaire, générant ainsi une BLEVE ("boiling liquid expanding vapor explosion", une vaporisation violente à caractère explosif d'un liquide) avec le même comportement et les mêmes conséquences que la bulle de gaz à haute pression d'une HCDA.
Dans les deux cas (HCDA et STGR), il existe des situations dans lesquelles les écoulements diphasiques multicomposants se trouvent dans un régime à faible nombre de Mach qui, lorsqu'ils sont étudiés avec un solveur compressible classique, présentent des problèmes de perte de précision et d'efficacité. L'objectif de ce travail de thèse
* développer un solveur multiphasique sodium–gaz (plombe-gaz), robuste et precis, pour les scénarios HCDA (STGR).
* concevoir une approche à faible nombre de Mach pour le problème de l'expansion des bulles, basée sur la méthode de compressibilité artificielle présentée dans l'article récent « Beccantini et al., Computer and fluids 2024 ».
L'aspect FSI sera également pris en compte.
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.
Simulation de l’écoulement dans les extracteurs centrifuges : l’impact des solvants visqueux sur le fonctionnement
Dans la cadre du retraitement du combustible nucléaire usé, le CEA a codéveloppé avec ROUSSELET-ROBATEL des appareils d’extraction liquide/liquide (ELL) visant à mettre en contact deux liquides immiscibles parmi lesquels l’un contient les métaux valorisables à récupérer et l’autre une molécule extractante. L’Extracteur Centrifuge multi-étage est l’un des appareils qui permettent de faire de l’ELL à l’usine de la Hague. L’utilisation future de solvants potentiellement plus visqueux que les standards industriels actuels peut poser des problèmes de performance qu’il est important d’étudier au préalable en laboratoire afin d’apporter les préconisations nécessaires au recouvrement des performances attendues par l’usine. L’environnement nucléaire dans lequel sont exploités ces appareils rend l’étude in situ quasi-impossible et prive donc la R&D de précieuses informations pourtant nécessaires à une compréhension approfondie des mécanismes physico-chimiques au cœurs des problématiques en jeu. Pour répondre à cela, l’étude proposée va reposer sur une approche numérique qui aura au préalable été validée par comparaison soit avec des données expérimentales historiques soit avec des acquisitions issues des pilotes ad hoc plus récents. Ainsi à l’issue d’une phase de bibliographie et de capitalisation des mesures récentes, il est proposé dans un premier temps de créer des cas-test qui vont servir à valider le modèle numérique. Sur la base de cette validation et à la lumière des connaissances acquises sur les thèses précédentes concernant l’effet de la viscosité sur les écoulements, il est proposé d’explorer numériquement l’impact d’une élévation de viscosité des solvants sur les extracteurs centrifuges. Cela ouvrira la voie à une meilleure compréhension du fonctionnement des appareils ainsi qu’à des améliorations de nature opératoires ou géométriques. L’étudiant évoluera au CEA Marcoule, dans un environnement de recherche à la croisée entre une équipe d’expérimentateurs et une équipe de simulations numériques. Cette expérience lui permettra d’acquérir d’importantes compétences en modélisation des écoulements liquide-liquide ainsi que de solides connaissances sur le développement de contacteurs liquide-liquide.
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.
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.
Transfert de chaleur par rayonnement : résolution numérique efficace de problèmes associés en milieu Beerien ou non pour les besoins de validation de modèles simplifiés
Cette proposition de recherche se place dans le cadre de l’étude, par le biais de la modélisation et de la simulation numérique, des transferts thermiques au sein d’un milieu hétérogène constitué de solides opaques et d’un fluide transparent ou semi-transparent. Les modes d’échange considérés sont le rayonnement et la conduction.
Suivant l’échelle considérée, la luminance (ou radiance) est solution de l’Equation de Transfert Radiatif (ETR - Radiative Transfer Equation). Dans sa forme classique, cette ETR décrit les phénomènes de transferts thermiques à l’échelle dite locale où les solides sont distinctement répartis dans le domaine, tandis que, à l’échelle mésoscopique d’un milieu homogène équivalent, la radiance est solution d’une ETR généralisée (ETR(G)) quand le milieu nobéit plus à la loi de Beer-Lambert. Dans notre contexte, nous nous intéresserons à la résolution numérique de cette ETR dans ces deux configurations avec in fine un couplage à la résolution d’une équation de conservation de l’énergie pour la température.
Dans le cadre de la résolution déterministe de l’ETR, une méthode usuelle de traitement de la variable angulaire de cette équation est la méthodes des ordonnées discrètes (Sn) qui utilise une quadrature pour la sphère unité. Lorsque l’on considère un milieu non-Beerien, la résolution de l’ETR(G) est un sujet de recherche très actuel où l’approche Monte-Carlo semble recevoir plus d’attention. Pour autant, on peut rapprocher cette ETR(G) de l’équation de transport généralisée telle que formulée dans le contexte du transport de particules et appliquer une méthode spectrale pour sa résolution déterministe Sn. C’est la piste poursuivie dans cette thèse.
Le cadre applicatif direct de ces travaux est l’étude par simulation numérique des accidents des Réacteurs nucléaires à neutrons thermiques refroidis à l’Eau Légère (REL). En effet, la modélisation des échanges par rayonnement est primordiale car, en cas de dénoyage du coeur et d’assèchement des gaines de combustible, c’est un mécanisme d’extraction de puissance qui devient rapidement, à mesure que la température augmente, important à prendre en compte, au même titre que la convection par le gaz (vapeur d’eau). Par ailleurs, cette thematique est aussi importante avec le renouveau du nucléaire par le biais de startups proposant des réacteurs calogènes de type High Temperature Reactor (HTR) refroidis par un gaz.
L’objectif de cette thèse est l’analyse et le développement d’une méthode numérique innovante et efficace de résolution de l’ETR(G) (dans un environnement de simulation numérique haute performance) couplée à la résolution de la conduction thermique. Du point de vue applicatif, une telle méthode permettrait de réaliser des calculs de référence pour la validation et la quantification du biais des modèles simplifiés mis en oeuvre dans des simulations d’ingénierie.
Un travail réussi dans le cadre de cette thèse permettra à l’étudiant de prétendre à un poste de recherche en simulation numérique haute performance de problèmes physiques complexes, par-delà la seule physique des réacteurs nucléaires.
Simulations HPC diphasiques par méthodes de Boltzmann sur réseaux et adaptation automatique de maillage
Le CEA/STMF développe des outils de calcul scientifique en thermohydraulique qui ont pour objectif de quantifier les transferts de masse et d’énergie dans les systèmes nucléaires du cycle tels que les réacteurs et les dispositifs de retraitement ou de confinement des déchets radioactifs. Dans ce travail de thèse, on s'intéresse aux méthodes “Lattice Boltzmann” (LBM) adaptés aux maillages dynamiques (Adaptative Mesh Refinement – AMR) dans un environnement informatique mutualisé et générique sur base Kokkos et exécutable sur les supercalculateurs multi-GPU. Le travail proposé consiste à développer dans le code Kalypsso-lbm les méthodes LB pour simuler des Equations aux Dérivées Partielles (EDPs) couplées qui modélisent les écoulements incompressibles diphasiques et multi-composants comme ceux rencontrées dans les dispositifs de l'aval du cycle. Une fois les développements réalisés, ils seront validés avec des solutions de références qui permettront une comparaison des méthodes d'interpolation entre les blocs de différentes taille du maillage AMR. Une discussion sera réalisée sur les critères de raffinement et de déraffinement qui seront généralisés pour ces nouvelles EDPs. Enfin, des benchmarks de performance quantifieront l'apport de l'AMR sur des simulations 3D lorsque la simulation de référence est réalisée sur un maillage statique et uniforme. Ce travail exploitera les supercalculateurs déjà opérationnels (e.g. Topaze-A100 du CEA-CCRT), ainsi que le supercalculateur exascale Alice Recoque selon l'état d'avancement de son installation.