Développement de code et Simulation numérique de l'entraînement de gaz dans les réacteurs rapides refroidis au sodium
Dans les réacteurs nucléaires rapides refroidis au sodium (RNR-Na), la circulation du sodium liquide est assurée par des pompes centrifuges immergées. Sous certaines conditions, des vortex peuvent se développer dans les zones de recirculation, favorisant l'entraînement de bulles de gaz inerte (typiquement argon) présent au-dessus de la surface libre. Si ces bulles sont aspirées dans le circuit primaire, elles peuvent endommager les composants de la pompe et nuire à la sûreté de
l’installation. Ce phénomène reste difficile à prédire, en particulier en phase de conception, et dépend de nombreux paramètres physiques, géométriques et numériques. L’objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure compréhension et une modélisation de l'entraînement de gaz dans les écoulements à surface libre typiques des RNR-Na, à l’aide de simulations numériques de type CFD (Computational Fluid Dynamics), en s’appuyant sur le code open-source TrioCFD, développé par le CEA. Ce code dispose d’un module de suivi d’interface (Front Tracking) particulièrement adapté à la simulation de phénomènes diphasiques avec interface libre déformable.
Modélisation numérique de la déchirure ductile sur de longues distances en vue de quantifier les marges des méthodes d’ingénierie
La prédiction des modes de ruine des structures métalliques est une étape essentielle de l’analyse de fonctionnement des composants industriels où des éléments mécaniques sont soumis à des sollicitations importantes (par exemple composants des centrales nucléaires, pipelines, éléments structurels d’aéronefs …). Pour procéder à de telles analyses, il est essentiel de simuler correctement le comportement d’un défaut en régime ductile, c’est-à-dire en présence d’importantes déformations plastiques avant et durant la propagation.
La simulation numérique prédictive de la déchirure ductile est encore une problématique scientifique et technique ouverte malgré des progrès importants réalisés ces dernières années. L’approche dite locale de la rupture, notamment le modèle de Gurson (et sa version modifiée GTN), est largement utilisée pour modéliser la déchirure ductile.Mais son utilisation présente des limites : temps de calcul importants, arrêt de simulation suite à la présence d‘éléments complétement endommagés dans le modèle et non-convergence du résultat lorsqu’on diminue la taille des mailles.
Cette thèse a pour but de faire évoluer le modèle de simulation de déchirure ductile utilisé au LISN, pour l'appliquer aux grandes propagations de fissures sur structures complexes. Et de comparer les résultats obtenus avec les méthodes d'ingénieries qui sont plus simples à mettre en œuvre.
Modélisation de la propagation de fissure en fatigue en présence de contraintes résiduelles – Amélioration de la méthode G-theta
Les contraintes résiduelles sont des champs de contraintes auto-équilibrées que l’on retrouve dans certains composants mécaniques en l’absence de chargement extérieur. Dues au soudage, par exemple, ces contraintes peuvent potentiellement avoir un effet sur le comportement de la structure et sur sa résistance à la rupture. Lorsque l’on doit justifier de l’intégrité d’un composant mécanique, dans le cadre d’une démonstration de sûreté dans le nucléaire, il est impératif de connaître précisément le rôle de ces champs de contrainte sur la résistance du composant. Dans le cas de la propagation de fissure en fatigue, pour modéliser avec précision tous les phénomènes en jeu (redistribution des contraintes, évolution de la plasticité, effet de fermeture), il sera nécessaire d’améliorer les outils numériques, comme les méthodes de maillage et propagation de fissure (AMR, X-FEM…) et l’interpolation de l’intégrale J en cas de fissure débouchantes (méthode Gtheta). La thèse comportera deux volets complémentaires : (a) le développement numérique visant l’amélioration de la méthode Gtheta dans Castem associée à une modélisation de la propagation de fissure en 3D avec AMR et (b) la poursuite des essais applicatifs de propagation de fissure en fatigue dans différentes configurations de contraintes résiduelles.
Développement d'une approche macroscopique pour la dégradation à long terme des structures en béton sous irradiation
Dans les centrales nucléaires, la protection biologique en béton (CBS) est conçue à proximité de la cuve du réacteur. Cet élément, qui joue également le rôle de structure porteuse, absorbe donc les radiations. Il est ainsi exposé pendant la durée de fonctionnement de la centrale à des niveaux élevés de radiations qui peuvent avoir des conséquences à long terme. Ces radiations peuvent notamment entraîner une diminution des propriétés mécaniques des matériaux et de la structure. Etant donné son rôle clé, il est donc nécessaire de développer des outils et des modèles, pour prédire les comportements de telles structures à l'échelle macroscopique.
Sur la base des résultats existants obtenus à une échelle inférieure - simulations mésoscopiques, à partir desquelles une meilleure compréhension de l'effet de l'irradiation peut être obtenue, et des résultats expérimentaux qui viendront alimentés la simulation (propriétés des matériaux en particulier), il est proposé de développer une méthodologie macroscopique pour le comportement de la protection biologique en béton. Cette approche inclura différents phénomènes, parmi lesquels l'expansion volumétrique induite par le rayonnement, le fluage induit, les déformations thermiques et le chargement mécanique.
Les outils seront développés dans le cadre de la mécanique de l'endommagement. Les principaux défis numériques concernent la proposition et l'implémentation de lois d'évolution adaptées, et en particulier le couplage entre l'endommagement microstructural et l'endommagement au niveau structurel dû aux contraintes appliquées sur la structure.
Ce travail numérique pourra être réalisé dans un contexte de collaboration internationale. Il permettra au candidat retenu de développer un ensemble de compétences autour de la simulation de structures en béton armé en environnement complexe.
Réduction du ferraillage dans les structures en béton armé par calculs non linéaires et optimisations topologique et évolutionnaire
Les armatures en acier jouent un rôle majeur dans le comportement des structures en béton armé. Néanmoins, de forts conservatismes peuvent parfois être imposés par les règles de dimensionnement, questionnant la réalisation de l’ouvrage (faisabilité) ou sa viabilité (économique, environnementale…). C’est dans ce contexte que s’inscrivent les travaux de thèse. En s’appuyant sur des développements récents, ils viseront à proposer une approche de conception innovante, s’appuyant sur l’utilisation de calculs éléments finis non linéaires, en les associant à des algorithmes d’optimisation topologique (définition des directions de renforcement et des sections d’armatures) et évolutionnaire (positionnement des barres à section d’armatures fixées). La méthode devra permettre par un processus itératif d’aboutir à des solutions répondant à un optimal de conception. Au regard des objectifs à minimiser (qui pourront être contradictoires – coût, faisabilité, résistance, empreinte carbone…), elle orientera ainsi l’état des paramètres d’entrée à partir d’une analyse des sorties d’intérêt. L’application à des cas d’usage complexes, issus de la pratique (jonction poteaux-poutres par exemple) démontrera la pertinence de l’approche, par rapport à des méthodes de dimensionnement plus conventionnelles. Au terme de la thèse, le doctorant aura développé des compétences dans l’utilisation et le développement d’outils à l’état de l’art, allant de la simulation par éléments finis non linéaire jusqu’aux méthodes modernes d’optimisation par intelligence artificielle.
Interaction fluide-structure dans un réseau de solides élancés en milieu confiné
Dans le cadre de l’étude des déformations progressives des assemblages combustibles au sein des cœurs de REP, le CEA a développé deux outils de simulation. Le premier, Phorcys [1], permet de calculer l’écoulement du caloporteur dans et autour des assemblages légèrement déformés à l’aide d’un réseau de pertes de charges paramétriques, puis d’en déduire les forces fluides qui s’appliquent sur les structures. Le second, DACC [2], traite le comportement thermomécanique sous irradiation et l’interaction des assemblages entre eux lors des cycles de puissance, au travers d’une simulation éléments finis. L’interaction fluide-structure est enfin traitée grâce au couplage numérique de ces deux outils, au sein duquel des incertitudes peuvent être propagées et analysées [3].
Le programme de relance du nucléaire (SMR, réacteurs de 4ème génération, PN etc.) est pourvoyeur de nouvelles technologies ainsi que de nouvelles topologies de cœur et d’assemblages combustibles qu’il convient de pouvoir analyser sous l’angle des risques associés aux déformations quasi-statiques des assemblages en cœur. Dans un double souci de capitalisation et d’extension des possibilités de simulation, on souhaite rendre ces deux outils capables de traiter les écoulements et les déformations de structures élancées de manière plus générique afin de couvrir efficacement et rapidement un large panel de technologies nucléaires.
Pour ce faire, il conviendra d’identifier, classifier, puis modéliser de manière réduite, quoique prédictive, les principales structures d’écoulement qui peuvent avoir cours au sein d’un volume fluide encombré de structures élancées à forte surface d’échange. Le modèle hydraulique complet du cœur sera ainsi créé par concaténation de modèles élémentaires respectant des conditions strictes d’interfaçage. Une méthode d’analyse de l’écoulement global obtenu permettra alors la quantification du champ de force contribuant aux déformations. Une logique similaire de classification et de changement d’échelle serait également mise en œuvre en ce qui concerne l’évaluation des déformations réversibles et irréversibles d’une structure élancée, soumises à des efforts extérieurs et à des irradiations sévères. Une difficulté est que la topologie fine d’un assemblage combustible peut présenter des non-linéarités aux petites échelles qui se propagent en partie à l’échelle macroscopique. In fine, on devra mettre en œuvre un couplage partitionné, robuste et à coût maîtrisé, entre l’écoulement du caloporteur et ces structures individuelles, qui se déforment et interagissent dans un environnement contraint.
Le cadre de modélisation ainsi construit permettra d’étudier les déformations progressives d’assemblages et les risques associés pour un spectre large de technologies de réacteurs nucléaires.
Interaction fluide-structure dans des mélanges : théorie, simulations numériques et expériences
Ce projet de doctorat s’inscrit dans le cadre de la recherche sur les interactions fluide-structure (IFS) dans des milieux complexes, notamment des mélanges fluides comportant plusieurs phases (liquide/liquide ou liquide/gaz) et/ou des particules en suspension. L’objectif est de développer une compréhension approfondie et multi-échelle des mécanismes couplés entre structures déformables (gouttes, interfaces, parois souples) et écoulements de mélanges complexes, en combinant modélisation théorique, simulations numériques avancées, et confrontation aux données expérimentales.
Etude des processus diffusionnels de l’oxygène et de l’hydrogène dans les couches d’oxyde pré- et post-transitoires formées sur les alliages de zirconium
Les mécanismes de corrosion des alliages de zirconium dans les réacteurs à eau pressurisée font encore débat plus d’un demi-siècle après les premières recherches sur ce matériau. La littérature fait en effet état de deux mécanismes distincts de transport des espèces diffusantes dans les couches d’oxyde : l'un en faveur de la diffusion moléculaire de l’oxygène et de l’hydrogène à travers des canaux de nanopores interconnectés pendant le régime pré-transitoire, et l'autre plus favorable à la diffusion via des court-circuits (joints de grains...) de l'hydrogène quel que soit son état dans la couche d'oxyde. Dans ce dernier cas, la couche d'oxyde est considérée comme relativement homogène et imperméable au milieu oxydant, en l’occurrence l’eau du circuit primaire. En revanche, la première interprétation part du principe de l’existence d'une couche perméable au milieu en raison d’un réseau interconnecté de nanopores et ce même au cours du régime pré-transitoire, la densité des nanopores percolés augmentant avec le temps.
Comment, techniquement parlant, trancher entre ces deux interprétations divergentes en termes de mécanisme de diffusion menant, par conséquent, à des solutions de protection contre la dégradation différentes ? Quel est finalement le mécanisme réactionnel menant à l’hydruration des alliages de Zr et son oxydation ?
Pour répondre à cet enjeu, nous explorerons les processus diffusionnels en étudiant les vitesses de dissociation-recombinaison des espèces moléculaires à différentes températures dans des mélanges gazeux équi-isotopiques tels que H2/D2, 18O2/16O2, H218O/D216O, H218O/D2 etc à l’aide d’un dispositif expérimental muni d’un spectromètre de masse qui suit en temps réel les espèces moléculaires d’intérêt.
Développement et calibration d’un modèle à champ de phase hyperbolique pour la simulation explicite de la rupture dynamique
La simulation numérique du comportement mécanique des structures soumises à des sollicitations dynamiques représente un défi majeur pour la conception et l’évaluation de la sûreté des systèmes industriels. Dans le domaine du nucléaire, cette problématique est particulièrement critique pour l’analyse des scénarios d’accidents graves dans les Réacteurs à Eau Pressurisée (REP), tels que l’Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP), au cours duquel la dépressurisation rapide du circuit primaire peut conduire à la rupture de tuyauteries. Le développement de modèles physiquement représentatifs, associés à des méthodes numériques robustes et efficaces permettant de simuler ces phénomènes avec une grande fidélité, demeure un sujet de recherche actif.
Parmi les approches non-locales existantes, les méthodes à champ de phase se sont imposées comme un cadre particulièrement intéressant pour la simulation de l’initiation et de la propagation des fissures. Cependant, la majorité des études actuelles se limite à des régimes quasi-statiques ou faiblement dynamiques, pour lesquels les effets de propagation d’ondes peuvent être négligés. À l’inverse, les régimes dynamiques - typiques des sollicitations accidentelles - nécessitent l’utilisation de schémas d’intégration temporelle explicites pour les équations mécaniques qui sont sensibles aux conditions de stabilité. Par conséquence, la formulation elliptique classique des équations d’évolution de l’endommagement n'est pas adaptée à ce contexte. Pour pallier ces limitations, des formulations hyperboliques du champ de phase ont récemment été proposées et évaluées, sachant qu'elles sont nativement plus compatibles avec les approches dynamiques explicites et qu'elles permettent un meilleur contrôle de la cinématique de propagation des fissures.
L’objectif de cette thèse est de faire progresser cette stratégie de modélisation émergente selon trois axes principaux:
- Étendre le cadre théorique de la formulation hyperbolique du champ de phase pour l’endommagement dans le contexte des matériaux standards généralisés, ce cadre étant adapté pour la rupture ductile;
- Proposer des solutions pour juguler l’impact négatif de l’évolution de l’endommagement sur le pas de temps critique;
- S’appuyer sur une campagne d’essais de fracturation dynamique afin de calibrer les simulations, en mettant l’accent sur l’identification des paramètres liés à l’endommagement.
Ce travail de recherche sera mené en collaboration entre le CEA Paris-Saclay, l’ONERA Lille et Sorbonne Université, avec le CEA comme établissement principal d’accueil.
Rupture ductile sous chargement oligocyclique des matériaux irradiés : Caractérisation expérimentale, modélisation et simulation numérique
Les alliages métalliques utilisés dans les applications industrielles ont le plus souvent un mode de rupture ductile par germination, croissance et coalescence de cavités internes. Les cavités apparaissent du fait de la rupture d’inclusions, croissent sous l’effet du chargement mécanique jusqu’à se rejoindre, conduisant à la ruine de la structure. La résistance à l’amorçage et à la propagation de fissure résulte de ce mécanisme. La prédiction de la ténacité passe donc par la
modélisation de la plasticité des matériaux poreux. Le comportement de matériaux poreux a été très étudié tant d’un point de vue expérimental que théorique et numérique dans le cas de chargement mécanique monotone en grandes déformations, conduisant à des lois de comportement permettant de simuler la rupture ductile de structure. Le cas des chargements mécaniques cycliques à faible nombre de cycles et / ou impliquant de faibles niveaux de déformations a comparativement été peu étudié, alors même que ce type de chargement est d’intérêt dans les applications industrielles, par exemple dans le cas de séisme. Dans cette thèse, l’effet de chargements oligocycliques sur les propriétés de rupture ductile sera investigué de manière systématique d’un point de vue expérimental, théorique et numérique. Des campagnes d’essais seront réalisées sur différents matériaux utilisés dans les applications nucléaires et pour différentes conditions de sollicitations mécaniques afin de quantifier l’effet des chargements oligocycliques sur la déformation à rupture et
la ténacité. En parallèle, des simulations numériques seront effectuées afin d’obtenir une base de données étendue concernant le comportement plastique de matériaux poreux sous chargement cyclique en s’intéressant en particulier aux effets de l’élasticité, de la porosité, du chargement mécanique et de distribution spatiale de cavités. Ces simulations numériques seront utilisées pour valider des modèles analytiques développés au cours de la thèse visant à prédire l’évolution de la porosité et la contrainte d’écoulement. Enfin, les modèles seront implémentés sous la forme de lois
de comportement et utilisés pour simuler les essais expérimentaux.