Modélisation de l’impact de défauts dans les structures acier-béton. Identification des défauts critiques par méta-modélisation et algorithmes d’optimisation.
Pour faire face à des enjeux de constructibilité grandissant, les structures « acier-béton » (structures « steel – concrete » ou « SC ») deviennent une alternative prometteuse face aux structures classiques en béton armé. Ces éléments sont constitués d’un béton de remplissage, de deux plaques externes métalliques et de goujons en acier permettant d’assurer l’action composite. Si ces structures présentent un intérêt certain lié à leur comportement mécanique d’ensemble, la présence des plaques métalliques empêche un contrôle visuel de la qualité du bétonnage. Il apparaît donc essentiel de caractériser l’impact de défauts potentiels. C’est dans ce contexte que s’inscrit le sujet de thèse. Il s’agira, en s’appuyant sur des résultats récents du laboratoire, de proposer une démarche numérique de prise en compte des défauts dans les structures acier-béton. Le travail de thèse s’articulera en plusieurs étapes : validation d’une stratégie de modélisation du comportement mécanique de structures acier-béton sans défaut, introduction de défauts dans la simulation et évaluation de l’applicabilité de la stratégie numérique, construction d’un métamodèle et analyse de sensibilité et définition de la (ou des) configuration(s) de défauts critiques par algorithmes d’optimisation. L’un des objectifs opérationnels de la thèse est de disposer d’un outil permettant de déterminer les configurations de défauts critiques (taille, position et nombre) en lien avec un objectif fixé sur une quantité d’intérêt donnée (perte de résistance ou de rigidité moyenne par exemple). Ce travail s’appuiera donc sur l’utilisation et le développement d’outils numériques à l’état de l’art, dans les domaines de la modélisation par éléments finis, des techniques d’optimisation, d’analyse de sensibilité et d’optimisation. La thèse sera réalisée dans un cadre collaboratif riche, notamment en partenariat avec EDF.
Effets des hétérogénéités structurales sur les écoulements d’air à travers une paroi en béton armé
Le bâtiment réacteur représente la troisième barrière de confinement dans les centrales nucléaires. Il a pour rôle de protéger l’environnement en cas d’accident hypothétique en limitant les rejets vers l’extérieur. Sa fonction est donc étroitement liée à son étanchéité. Classiquement, l’estimation du taux de fuite s’appuie sur une bonne connaissance des propriétés de transfert (comme la perméabilité) associée à une démarche de simulation chaînée (thermo-)hygro-mécanique. Si le comportement mécanique de la structure est aujourd’hui globalement maîtrisé, des progrès restent nécessaires dans la compréhension et la quantification des écoulements. C’est particulièrement le cas en présence d’hétérogénéités (fissures, nid de cailloux, reprise, armatures, câbles, etc.) qui représentent autant de situations pouvant perturber localement la perméabilité. C’est dans ce cadre que se place le sujet de thèse.
Il s’agira, en s’appuyant sur une démarche combinant essais expérimentaux et simulation, d’améliorer la représentation des écoulements en prenant en compte l’effet des hétérogénéités. Une première analyse permettra de définir un plan d’expérience qui sera ensuite mis en œuvre. Les résultats seront analysés afin de caractériser empiriquement l’influence de chaque type d’hétérogénéités testé sur les propriétés de transfert. Une approche de simulation, exploitant les résultats expérimentaux, sera ensuite développée, s’appuyant la méthode des éléments finis et discrets. Enfin, l’applicabilité de la méthode à une structure réelle sera étudiée, en rendant compte des incertitudes concernant la présence et l’impact de ces hétérogénéités (approche probabiliste).
La thèse s’appuie donc sur des outils et des méthodes expérimentaux et numériques à l’état de l’art et sera réalisée dans un contexte collaboratif riche (CEA, ASNR, EDF).
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.
Etude expérimentale et numérique des systèmes de réfrigération cryogénique pour les centrales à fusion de nouvelle génération utilisant des supraconducteurs à haute température
Le défi du réchauffement climatique et la promesse de production d'énergie sans émission de CO2 stimulent le développement de nouveaux et audacieux concepts de réacteurs à fusion nucléaire, qui diffèrent sensiblement de systèmes tels qu'ITER ou JT60-SA [R1]. Ces nouveaux réacteurs à fusion repoussent les limites technologiques en réduisant les coûts d'investissement et d'exploitation en utilisant des aimants à haute température (HTS) pour confiner le plasma [R4]. Ces HTS promettent d'obtenir des champs magnétiques de haute intensité tout en fonctionnant à des températures de refroidissement plus élevées afin de réduire la complexité du refroidissement cryogénique, normalement assuré par circulation forcée d'hélium supercritique à environ 4,5 K (voir 1,8 K pour WEST/Tore Supra) délivré par une usine cryogénique dédiée.
Le fonctionnement pulsé, des tokamaks induit une variation temporelle de la charge thermique absorbée par le système de réfrigération. Ce scénario de fonctionnement a conduit au développement de plusieurs techniques de lissage de charge afin de réduire l'amplitude des variations de charge thermique, réduisant ainsi la taille et la puissance du système de réfrigération, avec des effets bénéfiques sur les coûts et l'impact environnemental. Ces techniques utilisent des bains d'hélium liquide (à environ 4 K) pour absorber et stocker temporairement une partie de l'énergie thermique libérée par l'impulsion de plasma avant de la transmettre à l'installation cryogénique [R5].
L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement de concepts innovants pour la réfrigération de grands systèmes HTS à des températures comprises entre 5 et 20 K. Elle comprendra (1) la modélisation des architectures de l'installation cryogénique et de la cryodistribution en fonction de la température du fluide caloporteur, ainsi que (2) l’exploration des techniques de lissage de la charge innovantes en collaboration avec l'Equipe multidisciplinaire "Centrale à Fusion" du PEPR SUPRAFUSION, Le premier volet comportera le développement et l’amélioration d’outils numériques 0D/1D appelé Simcryogenics et basés sur Matlab/Simscape [R6] par l’implémentation de modèles physiques (lois de fermeture) et de choix de modélisation opportune pour analyser et confronter des solutions d’architecture adaptées. Le deuxième volet sera expérimental et comportera la réalisation d’expériences de lissage de la charge à l’aide d’une boucle cryogénique à entre 8 et 15 K existante.
L’activité sera à l'avant-garde de la révolution de la fusion nucléaire actuellement en cours en Europe [R3, R7] et aux États-Unis [R4], abordant un large éventail de domaines de l'ingénierie cryogénique tels que les technologies de réfrigération, l'hélium superfluide, la thermo-hydraulique, les propriétés des matériaux, la conception de systèmes et de sous-systèmes, la conception et réalisation d’essais cryogéniques. Elle sera ainsi utile au développement des nouvelles générations d’accélérateurs de particules utilisant des aimants HTS.
[R1] Cryogenic requirements for the JT-60SA Tokamak https://doi.org/10.1063/1.4706907]
[R2] Analysis of Cryogenic Cooling of Toroidal Field Magnets for Nuclear Fusion Reactorshttps://hdl.handle.net/1721.1/144277
[R3] https://tokamakenergy.com/our-fusion-energy-and-hts-technology/fusion-energy-technology/
[R4] https://tokamakenergy.com/our-fusion-energy-and-hts-technology/hts-business/
[R5] “Forced flow cryogenic cooling in fusion devices: A review” https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e06053
[R6] “Simcryogenics: a Library to Simulate and Optimize Cryoplant and Cryodistribution Dynamics”, 10.1088/1757-899X/755/1/012076
[R7] https://renfusion.eu/
[R8] PEPR Suprafusion https://suprafusion.fr/
Couplage partitionné fluide-structure avec approche Lattice-Boltzmann pour l'analyse de transitoires rapides dans le cadre du risque hydrogène
Dans une logique de préparation de l’avenir dans le domaine de la simulation à haute-fidélité et haute performance, le CEA explore avec ses partenaires académiques et industriels le potentiel des couplages fluide-structure impliquant la méthode de Boltzmann sur réseau (Lattice Boltzmann Methods, LBM). Le couplage se place dans le cadre d’un standard open-source promu par le CEA et des premiers pas prometteurs ont été franchis pour des écoulements compressibles en interaction avec des structures subissant grands déplacements et rupture. Des verrous importants restent à lever, notamment pour des représentations du fluide plus complexes et représentatives des besoins industriels, en particulier pour la sûreté des dispositifs énérgétiques décarbonés comme les batteries ou les réacteurs nucléaires.
Le présent travail doctoral s’intéresse ainsi à l’extension des briques de base disponibles au cas de la propagation de flammes dans des mélanges hydrogène/air, dans des régimes de déflagration et de détonation avec transition possible entre les deux, et en interaction avec des structures flexibles en déplacement fini. Cela présuppose notamment la prise en compte d’écoulements compressibles avec des nombres de mach élevés dépassant significativement ce qui a été mis en œuvre jusqu’alors, impliquant de réanalyser en profondeur les schémas de couplage et techniques d’interaction fluide-structure.
La thèse sera réalisée dans le cadre d'une collaboration entre l’institut IRESNE du CEA Cadarache et le laboratoire M2P2 (AMU). Elle se déroulera majoritairement au M2P2 sous la direction de Pierre Boivin et Julien Favier, avec un encadrement méthodologique de l'IRESNE, notamment pour les questions de technique de couplage.
Couplage DEM-LBM pour la simulation de l'éjection de milieux granulaires immergés dans un fluide Compressible sous Hauts Gradients de Pression
Dans les réacteurs à eau sous pression (REP), le combustible est formé de pastilles d’oxyde d’uranium (UO2) empilées dans des gaines métalliques. Lors d’un scénario d’accident de perte de réfrigérant primaire (APRP), la montée rapide de température peut provoquer la déformation et parfois la rupture de ces gaines. Ce phénomène entraîne potentiellement l’éjection de fragments de combustible dans le circuit primaire. L’ensemble de ces mécanismes est appelé FFRD (Fuel Fragmentation, Relocation and Dispersal). La gaine étant la première barrière de sûreté, il est essentiel d’évaluer la quantité de combustible dispersée. Des études expérimentales ont montré que la taille, la forme des fragments, la forme de la brèche et la pression interne influencent fortement l’éjection. Cependant, la rapidité de la première phase de dépressurisation rend les mesures directes difficiles. Les approches numériques, notamment via le couplage fluide-grains (LBM-DEM), offrent une alternative prometteuse. L'Institut IRESNE du CEA Cadarache, à travers la plateforme PLEIADES, développe ces outils pour modéliser le comportement des fragments. Toutefois, la compressibilité du gaz reste à intégrer pour reproduire fidèlement la dépressurisation initiale. Dans ce cadre, le laboratoire de Mécanique, modélisation et Procédés propre M2P2 (CNRS), spécialiste de la modélisation des écoulements compressibles avec la méthode LBM et développeur du logiciel ProLB, apporte son expertise pour intégrer cet effet. La thèse vise donc à concevoir et améliorer un modèle compressible dans le couplage LBM-DEM, à mener une étude paramétrique, et à développer un démonstrateur HPC en 3D capable d’exploiter les supercalculateurs modernes.
Cette thèse CEA sera menée en étroite collaboration entre le Département d’Etudes des Combustibles (DEC) de l’institut IRESNE du CEA de Cadarache et le Laboratoire M2P2 (CNRS). Vous serez localisé majoritairement au M2P2 mais ferez des séjours réguliers au CEA au sein du Laboratoire de simulation des combustibles duquel vous dépendrez. Les approches développées dans cette thèse garantissent un haut niveau scientifique avec de nombreuses applications industrielles potentielles dans et hors domaine nucléaire.
Optimisation de forme au service de l'innovation combustible
L’industrie nucléaire vise à développer des combustibles nucléaires toujours plus sûrs avec des combustibles appelés « Accident-Tolerant Fuel » [1]. Cela passe notamment par la conception de combustibles fonctionnant à relativement basse température (dit «froids ») en fonctionnement nominal, ce qui peut s’obtenir par l’ajout d’additifs très conducteurs.
L’objectif de la thèse est de développer des méthodes numériques (capitalisées dans un code semi-industriel), afin de pouvoir proposer de nouvelles «formes» de combustibles (le mot «forme» étant pris au sens de la structure interne ou de la microstructure), optimisées pour les phénomènes considérés. Pour ce faire, on utilisera des techniques mathématiques et numériques récentes liées à l’optimisation de forme [2].
L’étude commencera par une modélisation simple des phénomènes thermo-mécaniques [3]. Puis, un aller-retour entre l'implémentation de méthodes, les résultats obtenus et la modélisation physique sera nécessaire, afin de reformuler des problèmes physiques plus complexes sous une forme numériquement accessible.
Cette thèse se déroulera au CEA de Cadarache au sein du Département d’Etude des Combustibles, plus précisément du Laboratoire des Méthodes Numériques et Composants Physiques pour la plate-forme PLEIADES (LMCP). Ce département est rattaché à l'Institut IRESNE, l’Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d’Energie bas carbone. La thèse sera réalisée en collaboration avec une équipe de l’Université de Nice offrant ainsi un encadrement à la fois académique et en lien avec les problématiques industrielles. Elle s'inscrit plus largement dans le projet Fast-in-Fuels, au sein du Programme Prioritaire de Recherche PEPR DIADEM.
Le candidat sélectionné possèdera un solide bagage en calcul scientifique, en analyse et analyse numérique d’équations aux dérivées partielles, ainsi que des notions d’optimisation. Idéalement, il aura également des connaissances de base en thermique et mécanique des milieux continus. Le sujet proposé a un objectif appliqué ciblé, mais il possède une véritable composante exploratoire. Par ailleurs, il se trouve au carrefour de champs scientifiques variés. C’est pourquoi il sera attendu de l’étudiant en thèse de faire preuve de curiosité et créativité.
[1] Review of accident tolerant fuel concepts with implications to severe accident progression and radiological releases, 2020.
[2] G. Allaire. Shape optimization by the homogenization method, volume 146 of Applied Mathematical Sciences. Springer-Verlag, New York, 2002.
[3] T. Devictor. Manuscrit de thèse, 2025 (a paraître)
Etude expérimentale et simulation DEM du démélange de poudres d’actinides lors des opérations de transfert.
La fabrication des combustibles nucléaires à base d’oxydes d’actinides (UO2, PuO2) implique de nombreuses opérations de manutention de poudres, au cours desquelles peuvent survenir des phénomènes de ségrégation. Ces phénomènes, liés notamment aux différences de taille, de forme, de densité ou encore d’état de surface, influencent directement l’homogénéité des mélanges, et donc la qualité et la régularité des pastilles de combustible obtenues. Leur maîtrise constitue ainsi un enjeu industriel majeur pour garantir la robustesse des procédés et la conformité du produit final.
Cette thèse vise à approfondir la compréhension des mécanismes de démélange des poudres d’UO2 au cours des étapes de transfert, en particulier lors du transport par convoyeur vibrant et de la chute gravitaire. L’objectif scientifique principal est d’établir le lien entre les propriétés physiques et rhéologiques des poudres, les conditions opératoires du procédé, et l’intensité des phénomènes de ségrégation observés. Le travail combinera expérimentation et simulation numérique DEM afin d’identifier les paramètres matériaux et procédés influençant la ségrégation. Des dispositifs expérimentaux seront développés pour caractériser les poudres et évaluer l’intensité du démélange, tandis que les simulations permettront de valider et d’extrapoler les observations.
Réalisée au CEA Cadarache au sein du Laboratoire des combustibles Uranium (LCU) de l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE) en collaboration avec le laboratoire TIMR de l’UTC, ce projet permettra de proposer des recommandations pour limiter la ségrégation lors des opérations industrielles, et d’améliorer la prédiction de la propension à la ségrégation de mélanges de poudres, en particulier de poudres cohésives d’actinides.
Le doctorant valorisera ses résultats au travers des publications et participations à des congrès. Il aura l’occasion d’apprendre ou de se perfectionner dans plusieurs techniques réutilisables dans d’autres contextes, applicables à de nombreux domaines de la science des matériaux et de l’ingénieur. En particulier, les problématiques liées à la physique des milieux granulaires, qui constituent le cœur de cette thèse, présentent un intérêt industriel marqué et sont communes à de nombreux autres secteurs manipulant des poudres, tels que la pharmacie, l’agroalimentaire ou la métallurgie des poudres.
Mesures fines en trois dimensions de couches limites en écoulements turbulents dans les assemblages de REP
La production d'électricité grâce à l'énergie nucléaire constitue un pilier essentiel de la transition énergétique en raison de son faible impact carbone. Dans une démarche de constante amélioration de la sureté et des performances, l'établissement de nouvelles connaissances et de nouveaux outils sont nécessaires.
Les assemblages combustibles composants du cœur d’un réacteur font l’objet de différentes problématiques impliquant des phénomènes thermo-hydrauliques. On pourra citer les vibrations induites par écoulement, la transmission de puissance associée aux flux critiques ou encore les interactions fluide structure en cas de déformation d’assemblage ou d’excitation sismique. Dans toutes ces situations le comportement du fluide en proche paroi joue un rôle essentiel. L’utilisation de la CFD permet de simuler ces phénomènes avec pour objectif d’obtenir des outils prédictifs. Les besoins de validation expérimentale requis par les simulations réalisables aujourd’hui poussent les techniques de mesures classiques dans leur retranchement. Il existe aujourd’hui un besoin fort d’avoir des données expérimentales raffinées en temps et en espace sur des géométries complexes.
Ce projet de thèse propose de répondre à ce besoin en utilisant les dernières avancées en termes de mesures optiques dans les écoulements turbulents. En effet, grâce à la combinaison des techniques d’index matching, de caméra panoptique et de PTV (Particule Tracking Velocimetry) il est possible de mesurer le champ de vitesse dans un volume représentatif (environ 1 cm3) avec une densité spatiale de l’ordre de 10 micromètres et ainsi mesurer l’écoulement dans la couche limite en même temps que dans le canal hydraulique.
La thèse sera principalement réalisée au laboratoire d'hydromécanique LETH de l'Institut IRESNE (CEA Cadarache), et fera l'objet d'une collaboration avec le Thermo-Fluids Lab à l'Université de George Washington aux USA (mission sur place envisagée).
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.