Cinétique du front de fusion d’un Matériau à Changement de Phase utilisé pour évacuer la puissance résiduelle d’un réacteur nucléaire innovant
Dans le cadre du développement de réacteurs nucléaires innovants de à neutrons rapides refroidis au sodium (RNR-Na), cette thèse vise à explorer l’utilisation d’un matériau à changement de phase (MCP) pour évacuer la puissance résiduelle. Le MCP étudié dans ce projet est le Zamak, un alliage métallique présentant des caractéristiques intéressantes pour ce type d’applications thermiques.
Certains concepts de RNR-Na intègrent des systèmes de sûreté passifs conçus pour assurer l’évacuation de cette puissance résiduelle, qui correspond à la chaleur dégagée par les fissions retardées et les décroissances radioactives des isotopes du combustible après l’arrêt du réacteur. L'utilisation de matériaux à changement de phase est une option intéressante, permettant d’absorber et de stocker la chaleur grâce à la fusion du MCP, puis de la restituer progressivement.
Le cœur de cette thèse porte sur la modélisation CFD du processus de fusion du Zamak et de la remontée d'échelle vers un outil de calcul simplifié. Le défi principal réside dans la prédiction du comportement du front de fusion, de sa stabilité et de son impact sur la cinétique d'évacuation de la puissance résiduelle. Ce front de fusion est influencé entre autre par l'angle de mouillage, la physico-chimie de l'interface MCP-paroi ou MCP-gaz environnant, qui seront à étudier durant la thèse. Les travaux de recherche porteront donc sur le développement d’un modèle CFD qui intègre ces éléments, avec une approche par enthalpie poreuse, permettant ainsi des simulations prédictives du comportement du MCP dans le système d’évacuation de la puissance résiduelle. Une analyse de remontée d'échelle sera ensuite effectuée.
Le doctorant sera positionné dans une équipe de recherche sur les réacteurs innovants à l’institut IRESNE sur le site du CEA de Cadarache. Les débouchés après la thèse incluent la recherche universitaire, la R&D et l’industrie nucléaire, également dans des secteurs mettant en œuvre des MCP.
Simulation du comportement des poudres cohésives : lien entre l’échelle atomique et l’échelle granulaire
Le combustible nucléaire est fabriqué par un procédé de métallurgie des poudres mettant en œuvre différentes étapes de préparation du milieu granulaire (broyage, mélange), de pressage et de frittage. Les poudres mises en œuvre lors de ces étapes présente une cohésion importante entre les grains rendant son comportement à l’écoulement complexe. La prédiction du comportement de la poudre est un enjeu industriel crucial pour pouvoir s’adapter rapidement à un changement de matière première, optimiser la qualité du produit et améliorer les cadences de production.
Cette thèse vise à établir le lien entre les propriétés des poudres et leur aptitude à l'écoulement et au pressage. La cohésion entre les grains de poudre est un facteur clé influençant l'écoulement et la densification des matériaux granulaires. Elle est déterminée par plusieurs forces interparticulaires, telles que les forces de van der Waals, les interactions capillaires, et les forces électrostatiques. Comprendre ces interactions à une échelle atomique est essentiel pour prédire et modéliser le comportement des poudres. Cette thèse cherche à adresser deux questions : Comment les propriétés de surface des grains à l'échelle atomique influencent-elles la force de cohésion à l'échelle des grains composant la poudre ? Et, comment passer de l'échelle atomique à l'échelle du grain pour simuler de manière réaliste les poudres ?
Les approches de simulation multi-échelles permettent de relier les phénomènes microscopiques aux comportements macroscopiques des matériaux granulaires. Les simulations DEM (Discrete Element Method) actuelles intègrent rarement les interactions élémentaires telles que les forces de van der Waals, électrostatiques et capillaires dans les lois de contact. Des travaux de thèse récents (1) (2) ont exploré l'effet de la cohésion avec une approche simplifiée où la cohésion est prise en compte comme une force d’attraction ou une énergie de cohésion. Les méthodes de simulation de type Dynamique Moléculaire (MD) ou Coarse-graining permettent de simuler le comportement du matériau à une échelle inférieure à partir de ces propriétés structurelles et chimiques locales. Une meilleure compréhension de la cohésion à petite échelle permettra d'améliorer la prédictivité des simulations DEM et de mieux comprendre le lien entre les propriétés des poudres et leur comportement global.
L’objectif principal de cette thèse est de mieux comprendre les liens entre les interactions à l'échelle atomique et la cohésion à l'échelle des grains et d’en évaluer les conséquences pour les simulations de pressage et de l’écoulement des poudres.
L'un des principaux défis de ce projet réside dans la création de lois de contact DEM qui intègrent les interactions complexes à l'échelle atomique. Cela nécessite une collaboration étroite entre les experts en simulation atomistiques et ceux en modélisation DEM. De plus, il est crucial de valider ces modèles par des comparaisons avec des expériences et des observations afin de garantir leur précision et leur applicabilité aux procédés industriels.
Le doctorant sera accueilli au sein de l'institut IRESNE (CEA-Cadarache) dans le Laboratoire des Méthodes numériques et Composants physiques de la plateforme PLEIADES du Département d’Etude des Combustibles et collaborera avec le Laboratoire de Modélisation du Comportement des Combustibles. Il bénéficiera d’un environnement faisant appel à des outils d’investigation de pointe sur le plan de la modélisation-simulation et d’un environnement collaboratif avec Le Laboratoire de Mécanique et Génie Civil de l’Université de Montpellier.
Références
1. Sonzogni, Max. Modélisation du calandrage des électrodes Li-ion en tant que matériau granulaire cohésif : des propriétés des grains aux performances de l'électrode. s.l. : Thèse, 2023.
2. Tran, Trieu-Duy. Cohesive strength and bonding structure of agglomerates composed. 2023.
Simulations mésoscopiques et développement de modèles simplifiés pour le comportement mécanique des bétons irradiés
Dans les centrales nucléaires, le puits de cuve en béton sert de support pour la cuve du réacteur et d’écran de protection contre les radiations. A long terme, l’exposition à des radiations neutroniques peut causer une expansion des granulats du béton par amorphisation, et provoquer une microfissuration et une dégradation de ses propriétés mécaniques. Cette problématique est importante dans les études visant à prolonger la durée de vie des centrales. À l’échelle mésoscopique, ces phénomènes peuvent être modélisés en dissociant le comportement des granulats, de la matrice cimentaire, et des interfaces entre ces phases. Cependant, il est difficile de décrire l’initiation et la propagation des microfissures dans de tels systèmes multi-fissurés hétérogènes complexes. L'objectif de cette thèse, menée dans le cadre d’un projet ANR franco-tchèque, est de développer un outil de simulation numérique performant pour analyser les effets de l’irradiation neutronique sur le béton à l’échelle mésoscopique. Une approche couplée thermo-hydro-mécanique dans laquelle le comportement de la matrice prendra en compte retrait, fluage et microfissuration sera utilisée. Les simulations seront validées à partir de données expérimentales obtenues sur des échantillons testés, et l’outil numérique permettra par la suite d’estimer l’impact de différents facteurs sur le comportement et les performances du béton soumis à une irradiation neutronique.
Ce projet de recherche s'adresse à un doctorant souhaitant développer ses compétences en science des matériaux, avec une forte composante en modélisation et simulations numériques multiphysiques et multi-échelles.
Combustion d'hydrogène et d'ammoniac en milieux poreux : expériences et modélisation
- Contexte
Les perspectives énergétiques actuelles suggèrent l'utilisation de l'hydrogène (H2) et de l'ammoniac (NH3) comme vecteurs d'énergie décarbonés. La combustion du NH3 offre des avantages tels qu'une densité énergétique élevée et un stockage sûr, mais présente une plage d’inflammabilité étroite et des émissions élevées de NOx. Il est possible d'obtenir de l'hydrogène par craquage partiel d’ammoniac pour créer des mélanges ayant des propriétés de combustion plus favorables, mais il reste des questions ouvertes concernant les émissions de polluants et la teneur en NH3 imbrûlé.
- Défis
Les brûleurs poreux sont des candidats prometteurs pour la combustion de mélanges NH3/H2 à faibles émissions polluantes. Malheureusement, les problèmes de durabilité des matériaux et la complexité de la stabilisation des flammes constituent encore des obstacles importants à leur industrialisation. Toutefois, les récentes avancées dans le domaine de la fabrication additive permettent un design avancé de matrices poreuses, leur caractérisation expérimentale restant difficile en raison de l'opacité de la matrice solide.
- Objectifs de recherche
Le doctorant exploitera un banc expérimental au CEA Saclay pour mener des expériences de combustion avec des mélanges NH3/H2/N2+air dans différents brûleurs poreux. Les tâches principales incluront la conception de nouvelles géométries poreuses, la comparaison des résultats expérimentaux avec les simulations numériques, un travail de modélisation 1D par moyennes volumiques et théorie asymptotique. Les mesures expérimentales comprendront : l'anémométrie à fil chaud, la thermométrie infrarouge, l'analyse de la composition des gaz de sortie, la chimiluminescence et les diagnostics laser. Les brûleurs poreux seront fabriqués à l'aide de techniques d'impression 3D avec des matériaux tels que l'acier inoxydable, l'inconel, l'alumine, la zircone et le carbure de silicium.
La recherche vise à développer des brûleurs poreux plus robustes et plus efficaces pour la combustion de mélanges NH3/H2, améliorant ainsi leur application pratique pour atteindre la neutralité carbone. Le candidat contribuera à faire progresser le domaine grâce à des données expérimentales, des conceptions innovantes et des techniques de modélisation améliorées.
Etude thermodynamique du ternaire K2CO3-CO2-H2O pour le développement de procédés NET (Negative Emission technologie) et SAF (Sustainable Air Fuel)
Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la thématique accélérée Inter-conversion énergétique : de l’atome et du photon à l’hydrogène et aux molécules durables.
La bioénergie avec captage et stockage du carbone (BECCS) utilise l'énergie de la biomasse tout en captant le dioxyde de carbone libéré par le processus, ce qui se traduit par des émissions négatives dans l'atmosphère (Negative Emission Technologie). Le procédé de référence en Europe utilise le carbonate de potassium [1] mais désorbe le CO2 à pression atmosphérique, alors que sa séquestration ou son hydrogenation en molécules durables, notamment les SAF (Sustainable AirFuel) nécessite de fortes pressions.
La thèse consiste en l’acquisition de nouvelles données thermodynamiques et thermo-chimiques à haute température/pression nécessaires à l'optimisation énergétique d’un tel procédé [2] et à leur intégration dans une modélisation thermodynamique.
On fera par la suite un remontage du procédé global afin de pouvoir quantifier le gain énergétique et environnemental attendu.
La thèse se déroulera au sein du Laboratoire de modélisation thermodynamique et thermochimie (LM2T) en collaboration avec le LC2R (DRMP/SPC) pour la partie expérimentale.
Références :
[1]K. Gustafsson, R. Sadegh-Vaziri, S. Grönkvist, F. Levihn et C. Sundberg, «BECCS with combined heat and power: assessing the energy penalty,» Int. J. Greenhouse Gas Control, vol. 110, p. 103434, 2021.
[2] S. Zhang, X. Ye et Y. Lu, «Development of a Potassium Carbonate-based Absorption Process with Crystallization-enabled High-pressure Stripping for CO2 Capture: Vapor–liquid Equilibrium Behavior and CO2 Stripping Performance of Carbonate/Bicarbonate,» Energy Procedia, 2014
Etude de la fabrication additive fil d'un composant nucléaire de géométrie complexe
L’objectif général de la thèse est d’étudier la faisabilité d'un composant du réacteur de fusion DEMO par fabrication additive fil ou « WAM » (Wire Additive Manufacturing). Pour cela, le doctorant devra tout d’abord concevoir et fabriquer des pièces de démonstration représentatives de différentes sous-parties du composant dans les cellules de fabrication additive du laboratoire. Il prendra en main les logiciels de CAO/FAO pour fabriquer des pièces de complexité et taille croissante, en assurant la répétabilité de leur fabrication.
Ces pièces feront l’objet d’un travail de caractérisation, tout d’abord dimensionnelle, afin de vérifier leur conformité géométrique au regard des spécifications du projet ; mais aussi microstructurale et métallurgique, afin de garantir la qualité de fabrication, notamment l’absence de défaut au sein du matériau (porosité, inclusions…) ou de phases métallurgiques nuisibles à sa tenue mécanique.
Enfin, le doctorant sera également amené à simuler par la méthode des éléments finis la fabrication de certaines pièces afin d’analyser l’évolution de paramètres d’intérêt, comme la température, au cours de la fabrication et d’estimer l’état de déformation et de contrainte après fabrication. Ces simulations pourront être utilisées pour corriger certains écarts entre l’attendu et le réalisé, dans le cadre d’un dialogue calcul-essai qui verra la mise en place d’une instrumentation servant également la validation des modèles. Ces simulations seront réalisées à l’aide du code de calcul par éléments finis Cast3M développé au CEA.
Effet de la déformation plastique sur la rupture par clivage : Découplage entre la plasticité induite et l’évolution de la microtexture
Dans le domaine nucléaire, l’intégrité des composants doit être assurée pendant toute la durée d’exploitation, et ceci même en cas d’évènement accidentel. La demande de justification de la tenue des composants face au risque de rupture brutale est croissante et se généralise à de nombreuses lignes de tuyauterie et équipements. Le principe de la démonstration consiste à montrer que, même en présence d’un défaut, l’équipement est capable de supporter les chargements qu’il est susceptible de subir.
Une vigilance particulière est portée sur la rupture fragile par clivage, à cause de son caractère instable et catastrophique qui conduit immédiatement à la ruine du composant. La rupture fragile est sensible au niveau de plasticité et de triaxialité en pointe de fissure, ce qui explique l’effet structure bénéfique souvent observé sur des composants réels par rapport aux éprouvettes laboratoire. L’enjeu industriel est de mieux comprendre le rôle de la plasticité en relation avec la microtexture sur la rupture fragile, afin de faire évoluer les critères de prédiction actuels.
Au cours de cette thèse, la résistance à la rupture fragile de l'acier sera évalué après prédéformé avec différents types de chargements mécaniques. A la fin de la thèse le candidat aura acquis des compétences solides sur la réalisation d'essais mécaniques, les analyses microscopiques et en simulation numérique. Les travaux seront réalisés entre le laboratoire LISN du CEA et le centre de matériaux de l'école des mines de paris.
Développement d'une condition limite de couplage multi-échelles / multi-modèles
Dans le domaine de la thermohydraulique, les codes CFD (Computational Fluid Dynamics) font partie des outils de calcul scientifique les plus couramment utilisés pour des analyses de conception et d'évaluation de sûreté.
Les codes CFD proposent une résolution tridimensionnelle des équations de Navier-Stokes.
L'approche la plus souvent retenue consiste à résoudre une formulation moyennée des équations de Navier-Stokes (Reynolds-averaged Navier-Stokes).
Cette approche permet d'obtenir une résolution détaillée d'un écoulement au prix d'un nombre limité d'hypothèses (modèles de turbulence, lois de parois).
La discrétisation spatiale du domaine de calcul requiert un nombre de volumes de contrôle élevé pour atteindre un bon niveau de précision.
Les ressources informatiques nécessaires pour mener à bien un calcul industriel sont importantes et ne permettent pas, à l'heure actuelle, d'envisager de traiter des cas de transitoires complexes, par exemple diphasique, dans le circuit primaire complet d'un réacteur nucléaire.
Une autre approche consiste à retenir une discrétisation spatiale plus grossière pour réduire le temps de calcul.
Selon les cas, les bonnes pratiques de l'approche RANS ne peuvent pas être respectées. On doit alors ajouter un certain nombre d'hypothèses pour assurer la précision du calcul qui se traduisent par l'ajout de modèles supplémentaires comme par exemple des lois de pertes de charges, des corrélations de transfert thermique, des termes de mélange, etc. Cette approche est souvent appelée approche poreuse.
Quelle que soit l'approche retenue, le système modélisé est généralement un circuit ouvert. Des conditions aux limites sont donc nécessaires afin que le système d'équation puisse être résolu.
Les méthodes de couplage multi-échelle proposent d'utiliser chaque approche là où elle est la plus indiquée. L'objectif est d'utiliser l'approche la moins coûteuse possible tout en maintenant un bon niveau de détail dans la représentation des phénomènes physiques impliqués.
Les approches de couplage distinguent les méthodologies unidirectionnelles (one-way coupling) des méthodologies bidirectionnelles (two-way coupling).
Dans la méthodologie unidirectionnelle, les conditions aux limites issues d'un premier calcul sont fournies à un second calcul. Il n'y a pas de rétroaction du second code vers le premier.
Dans la méthodologie bidirectionnelle, les codes échangent, le plus souvent à chaque pas de temps, par l'intermédiaire des conditions aux limites qui permettent une rétroaction entre les deux codes. C'est cette dernière méthodologie qui est retenue.
Les conditions aux limites classiquement utilisées sont le plus souvent développées pour des calculs où seules des données macroscopiques sont disponibles, débit et température en entrée et pression en sortie.
Dans le cas d'un couplage multi-échelle des informations plus détaillées sont disponibles, par exemple les champs de vitesse et de pression.
Dans le cadre de cette thèse, on cherche à développer des conditions aux limites qui puissent exploiter toutes les informations complémentaires nécessaires afin de rendre l'interface entre les deux codes la plus transparente possible.
Pour fixer les idées, on souhaiterait que, dans le cas théorique où deux instances d'un même code se partagent un domaine physique en appliquant exactement la même modélisation et discrétisation spatiale, les résultats obtenus par le couplage de ces deux instances soient identiques à celui d'une unique instance du même code calculant le domaine complet.
Etude du fluage d’assemblage de combustible en interaction fluide-structure
Dans le contexte de la transition énergétique et du mix décarboné, la maîtrise de la performance et de la sûreté des réacteurs nucléaires du parc est un impératif ouvrant encore des voies de recherche et développement à forte valeur ajoutée. Ceci est notamment vrai pour l’optimisation des éléments combustibles.
En effet, au cours de son séjour dans le cœur d’un réacteur de puissance, l’assemblage de combustible est soumis à des contraintes mécaniques, thermiques et hydrauliques. Il subit une évolution de sa géométrie, notamment un allongement et une déformation latérale, en raison du phénomène de fluage lié conjointement à l’irradiation et à l’écoulement d’eau dans le cœur. Avec l’accroissement des temps de séjour des assemblages combustibles dans les réacteurs et du fait des conditions de plus en plus sollicitantes, le besoin de compréhension du phénomène est nécessaire pour améliorer la robustesse de la conception. Il s’agit en particulier d’un problème d’interaction fluide-structure où l’écoulement joue un rôle dans le comportement du fluage de la structure et où la déformation de la structure modifie l’écoulement.
Une précédente étude a permis de mettre en œuvre un dispositif expérimental pour obtenir un fluage rapide sur des maquettes d’assemblages de combustible à échelle réduite. Ces essais ont pu mettre en évidence un effet important des conditions d’entrée du fluide sur le comportement sous fluage des assemblages. L’objectif du travail de thèse proposé est alors d’analyser les résultats expérimentaux à l’aide d’outils de simulations afin de comprendre et de quantifier la phénoménologie du couplage en interaction fluide structure sous fluage. Cette analyse pourra mener à la réalisation d’essais supplémentaires. Un autre aspect important sera la transposabilité des résultats aux conditions réelles.
La thèse se déroulera à l’institut IRESNE du centre de Cadarache, en collaboration avec l’industriel Framatome, apportant sa vision opérationnelle dans le suivi et l’orientation des travaux de recherche. Le travail proposé ouvre de ce fait des perspectives solides à l’issue de la thèse aussi bien dans les centres de recherche qu’en environnement industriel.
Analyse expérimentale et numérique des interactions fluide-structure dans la propagation des ondes de raréfaction à travers des structures complexes des réacteurs à eau pressurisée
L'accident de perte de réfrigérant primaire (APRP) dans les réacteurs à eau pressurisée (REP) entraîne des phénomènes transitoires rapides, tels que la propagation d'ondes de raréfaction dans les structures internes du réacteur. Ces ondes provoquent des charges de pression transitoires entre différentes zones, comme le cœur du réacteur et la zone de by-pass, ce qui exerce des contraintes sur le cloisonnement. La déformation de cette structure critique peut compromettre l'intégrité structurelle du réacteur et compliquer la manipulation des assemblages de combustible, notamment leur retrait après l'accident.
Le principal objectif scientifique est de développer, implémenter et valider de nouveaux modèles numériques permettant de simuler de manière plus précise la propagation des ondes de raréfaction à travers des obstacles complexes. L’état de l’art actuel repose sur des modèles simplifiés, validés uniquement pour des configurations simples comme les plaques à simple orifice (diaphragmes). Cependant, il existe un besoin d’élargir ces modèles à des géométries plus complexes, telles que les plaques à trous multiples, en utilisant différents méthodes numériques.
L’élaboration d’un modèle de porosité pour représenter les assemblages combustibles est également cruciale. Les résultats attendus seront validés expérimentalement et ont des applications directes pour les partenaires industriels EDF et Framatome, renforçant l'intérêt industriel de cette recherche.
La thèse adoptera une approche combinée, à la fois expérimentale et numérique. L’utilisation de la plateforme MADMAX permettra de tester différents obstacles complexes et de recueillir des données expérimentales détaillées grâce à des capteurs spécialisés. Ces données serviront à valider les modèles numériques développés dans le logiciel EUROPLEXUS. De plus, les simulations incluront des approches novatrices telles que un nouveau modèle de porosité pour les structures internes des réacteurs. La participation à des conférences internationales et la publication des résultats sont prévues pour assurer la diffusion scientifique des avancées.
La thèse se déroulera au laboratoire DYN du CEA Paris-Saclay, qui dispose d’équipements expérimentaux uniques, comme la plateforme MADMAX, et d’une forte expertise en modélisation numérique. Plusieurs collaborations industrielles (EDF, Framatome) et académiques offriront un environnement riche pour le doctorant, avec des échanges réguliers au sein de réseaux internationaux.
Le candidat idéal devra avoir de solides compétences en mécanique des fluides, dynamique des structures, modélisation numérique (éléments finis, volumes finis), et en programmation. Une première expérience avec des outils comme EUROPLEXUS sera un plus. Un stage de M2 pourra être proposé pour familiariser le candidat avec les méthodes et outils utilisés dans cette thèse.
Cette thèse permettra au doctorant d’acquérir des compétences hautement spécialisées en interactions fluide-structure, modélisation numérique et expérimentation dans un contexte industriel. Ces compétences sont très recherchées dans les secteurs de l’énergie, de l’aéronautique et des technologies de simulation avancée, ouvrant la voie à des carrières dans la recherche appliquée ou l’ingénierie dans l’industrie.