Méthodologie de déploiement d'une flotte de réacteurs nucléaires innovants pilotée par les besoins et contraintes du réseau
Les réseaux électriques sont à une société ce que le système sanguin est au corps humain : les pourvoyeurs d’énergie électrique indispensable à la vie quotidienne de tous les organes de la société. Il s’agit de systèmes très complexes qui doivent garantir à tout instant l’équilibre entre la demande des consommateurs et la puissance injectée sur ses lignes via des mécanismes à des échelles spatiales et temporelles différentes.
Cette thèse vise à élaborer une méthodologie d’optimisation du déploiement de réacteurs nucléaires innovants dans des réseaux électriques, adaptée aux besoins et contraintes spécifiques de ceux-ci. Cette approche devra être applicable à une grande variété de réseaux, qu'ils soient insulaires ou de taille continentale, et à divers niveaux de pénétration et technologies d’Energies Renouvelables Intermittentes (EnRI). Les contraintes des réseaux devront traduire leurs besoins en stabilité à court terme (localisation et capacités des réserves inertielles, participation aux services systèmes), à moyen terme (pilotabilité et suivi de charge), ainsi qu’à long terme (disponibilité saisonnière et facteur de charge des moyens de production). Les réacteurs nucléaires innovants pourront appartenir à n’importe quelle filière, étant caractérisés uniquement par des grandeurs macroscopiques telles que la cinétique de montée/descente en charge, les paliers de puissance partielle, la durée avant redémarrage, les capacités de cogénération, etc. ainsi que des données technico-économiques requises pour le dispatching. Concrètement, l’objectif est de pouvoir dresser le portrait-robot (ie. localisation, puissance, cinétique) de flottes de réacteurs nucléaires garantissant un fonctionnement stabilisé des réseaux électriques malgré un fort taux de pénétration d’EnRI. Deux contributions principales sont attendues :
- Apport académique : proposer une méthodologie novatrice pour optimiser le déploiement de systèmes énergétiques de grande dimension comprenant des réacteurs nucléaires innovants, en intégrant à la fois la physique des réseaux électriques et leurs contraintes opérationnelles ;
- Apport industriel : développer des recommandations pour le déploiement optimal de réacteurs nucléaires innovants dans des systèmes électriques intégrant des EnRI, prenant en compte des aspects comme la puissance des réacteurs et leur inertie, leur localisation, les besoins en réserves pour les services systèmes, leur capacité de suivi de charge ou leur disponibilité.
Le doctorant sera basé dans une unité de recherche sur les systèmes nucléaires innovants. À l'intersection de l’étude de la dynamique des réacteurs nucléaires, de la physique des réseaux électriques, et de l'optimisation, cette thèse en énergétique offrira au doctorant l'opportunité de développer une connaissance approfondie sur les systèmes énergétiques de demain et les enjeux qui leur sont associés.
Développement d’une approche de corrélation d’images multiéchelle et multivue pour le suivi d’essais dynamiques à grande-échelle
Les données expérimentales obtenues sur des spécimens à grande échelle jouent un rôle important pour l’étude de l’intégrité des structures. Les interprétations fines de ces essais nécessitent une instrumentation poussée des maquettes. En plus des systèmes d'acquisition de données classiques, les techniques de corrélation d'images numériques (CIN) permettent de mesurer les champs de déplacement et d'extraire des quantités d'intérêt (par exemple, champ d’endommagement). L’objectif de cette thèse est de développer une technique de corrélation d’images numériques multivue et multiéchelle (CI2M) pour le suivi des essais dynamique à grande-échelle. Nous nous concentrerons sur le comportement des structures en béton armé soumises à des chargements dynamiques. La technique de recalage de modèles par éléments finis (FEMU) sera utilisée pour identifier les phénomènes non linéaires dans la zone de process autour des fissures. La FEMU sera couplée aux analyses de CI2M, ce qui permet également de mesurer les conditions aux limites. L'utilisation des techniques de CI pour calculer les champs d'accélération sera également étudiée. Un cadre numérique sera proposé pour effectuer une analyse modale basée sur des champs calculés. A terme, ces outils pourront être intégrés dans une procédure de dialogue essais / calculs en apportant des information précises sur les propriétés mécaniques des éléments structuraux et leur évolution (p.ex., endommagement) induite par des chargements sismiques.
Essais thermomécaniques jusqu’à de hautes températures sur une céramique nucléaire irradiée
Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre des études sur les interactions pastille-gaine dans les crayons combustibles utilisés dans les réacteurs des centrales nucléaires à eau pressurisé. L’exploitant doit assurer et démontrer l’intégrité de l’ensemble des crayons, en toutes situations. Or, les contraintes mécaniques subies par la gaine, première barrière de sûreté, sont reliés aux propriétés viscoplastiques du combustible. Il faut donc connaître ces propriétés et leurs évolutions en fonctionnement.
Le sujet de thèse proposé s’intéresse particulièrement à la caractérisation en cellule de haute activité de combustibles irradiés en réacteur nucléaire. Une des difficultés majeures réside dans le fait que les combustibles issus d’une irradiation en réacteur sont multi-fissurés, ce qui rend leurs caractérisations mécaniques particulièrement compliquées. Toutefois, une thèse en cours (2022-25) a permis de (i) concevoir une machine spécifique d’essais thermomécaniques, (ii) qualifier en partie ce dispositif, (iii) mettre en place des outils et méthode d’extraction d’échantillon fissuré, (iv) ainsi qu’une modélisation intégrale du système (jumeau numérique).
La thèse proposée ici correspond à la suite de ces travaux et sera construite en quatre étapes sur trois plateformes expérimentales disponibles au CEA
1. Prise en main et amélioration des outils numériques et expérimentaux existant,
2. Implémentation du dispositif en cellule de haute activité sur un four existant,
3. Réalisation d’essai thermomécanique sur combustible irradié ; ce qui constituera en soi une première mondiale dans ces conditions.
Les essais demanderont des post-traitements dédiés basés sur une discussion essai-simulation. En premier lieu, cela permettra de décolérer les phénomènes et de se focaliser sur le comportement viscoplastique du matériau. Une fois la base expérimentale suffisamment étoffée et interprétée, il sera alors possible de conforter ou revoir les lois de comportement du combustible. Un lien avec la microstructure des matériaux pourrait être abordé.
Tout au long de ces étapes, le thésard s’appuiera sur les compétences et expertises de différents laboratoires du Département d'études des Combustible (Institut IRESNE, CEA Cadarache) et sur un environnement collaboratif académique. Cette thèse s'inscrit également dans le cadre du projet européen OPERA HPC et en est un enjeu majeur.
Le doctorant devra présenter un goût marqué pour l’approche expérimentale et quelques facilités pour l’utilisation d’outils numériques. Des connaissances en science des matériaux sont le minimum requis. Au long des trois années de doctorat, le doctorant améliorera ses compétences multiphysiques en conception de dispositifs expérimentaux et comportement des matériaux à haute température, ainsi qu’en simulation numérique, ce qui facilitera son insertion professionnelle. Au regard de l’ampleur de la tâche, il serait préférable, mais non obligatoire, que le candidat ait suivi préalablement le stage de master lié à ce sujet (voir par ailleurs).
Étude multi-échelle du transport ionique dans des matériaux nanoporeux hiérarchiques non saturés : application aux matériaux cimentaires
Le transport ionique est crucial pour déterminer la durabilité des matériaux à base de ciment et, par conséquent, l'extension de la durée de vie des (infra)structures en béton. Les phénomènes de transport déterminent la capacité de confinement du béton, essentielle à la conception et à la gestion des infrastructures en béton pour la production d'énergie. Dans la plupart des conditions de service, le béton se trouve dans un état non saturé. Un transport anormal a été observé dans les matériaux à base de ciment, et les raisons de ces écarts par rapport au comportement attendu d'autres matériaux poreux peuvent provenir de processus à l'échelle nanométrique.
A ce jour, la majorité des modélisations prédictives de la durabilité ne tiennent pas explicitement compte des processus à l’échelle nanométrique, pourtant fondamentaux pour déterminer les propriétés de transport. Des progrès récents ont été réalisés dans la quantification du comportement de l'eau confinée dans diverses phases présentes dans les systèmes cimentaires. Les silicates de calcium hydratés (C-S-H) sont la principale phase hydratée dans les matériaux à base de ciment et présentent des nanopores dans les gammes microporeuses et mésoporeuses. Cependant, les effets de la désaturation restent encore à élucider pleinement. Une compréhension fondamentale des processus de transport nécessite un cadre multi-échelle dans lequel l'information de l'échelle moléculaire se répercute à travers d'autres échelles pertinentes (en particulier, l'échelle mésoscopique associée à la porosité du gel C-S-H (~nm), la porosité capillaire et la zone de transition interfaciale (~µm) jusqu'à l'échelle macroscopique des applications industrielles dans les matériaux à base de ciment).
L’objectif de ce travail de doctorat est d’évaluer le transport ionique des chlorures, une espèce critique pour la durabilité du béton, en conditions non saturées en combinant des simulations à petite échelle, une modélisation multi-échelle et des expérimentations dans une approche ascendante. Le travail se concentrera sur le C-S-H. Le projet vise à caractériser les effets de la désaturation sur les processus nanométriques qui gouvernent le transport des chlorures.
Modélisation des équilibres de complexation des actinides en milieu nitrique. Application au procédé PUREX
Le code de calcul PAREX+ est un outil majeur dans le domaine de la chimie séparative. Il permet la modélisation et la simulation des procédés de séparation basés sur l’extraction par solvant. Dans ce code, la distribution des espèces d’intérêt entre les phases aqueuse et organique est calculée en tout point du procédé aussi bien en régime établi que dynamique. L’objectif de la thèse est d’améliorer le modèle de distribution présent au sein de ce code. Pour cela une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu au sein des phases organiques et aqueuses est nécessaire ainsi qu’une nouvelle approche pour les prendre en compte dans le modèle. Cette thèse associe donc l’expérimental et la modélisation. L’étudiant intégrera une équipe d’encadrement composée d’experts en chimie séparative et en modélisation. Son travail sera valorisé par l’émission de publications et de participations à des congrès internationaux. A l’issue de cette thèse, l’étudiant aura de solides connaissances dans le domaine de l’extraction par solvant et de sa modélisation qu’il pourra valoriser auprès des industriels ou des organismes de recherche du nucléaire ou dans les autres domaines de la chimie séparative (séparation des terres rares ou hydrométallurgie).
Modélisation thermo-chemo-mécanique du frittage : effet de l’atmosphère et de la densification différentielle sur le retrait des pastilles
Les combustibles de dioxyde d’uranium (UO2), utilisés dans les centrales nucléaires sont des céramiques, dont le frittage en phase solide est une étape-clé de la fabrication. L’étape de frittage consiste en un traitement thermique sous pression partielle contrôlée de O2 permettant de consolider, densifier le matériau et faire grossir les grains de UO2. La densification induit un retrait macroscopique de la pastille. Si le compact (poudre comprimée par pressage avant le frittage) admet de fortes hétérogénéités de densité, une différence de densification dans la pastille peut avoir lieu entraînant un retrait différentiel et l’apparition de défauts.
Cette thèse se consacre à la mise en place d’un modèle thermo-chemo-mécanique du frittage pour simuler l’impact de la composition et les propriétés physiques de l’atmosphère sur la densification du combustible à l’échelle de la pastille. Cette échelle nous permettra de considérer les gradients de densité issus du pressage, mais également de prendre en compte la cinétique de diffusion d’oxygène impactant localement la vitesse de densification qui elle-même impactera le processus de transport. Une simulation multiphysique est nécessaire pour simuler le couplage de ces phénomènes.
Ce travail de thèse sera mené au sein du Laboratoire commun MISTRAL (Aix-Marseille Université/CNRS/Centrale Marseille et l'institut IRESNE du CEA-Cadarache). Le doctorant valorisera ses résultats au travers de publications et participations à des congrès et aura acquis de solides compétences qui sont recherchées et valorisables dans un grand nombre de domaines académiques et industriels.
Quantification et Optimisation de l’Etat Thermomécanique de Supraconducteurs Nb3Sn Lors du Traitement Thermique
En accord avec la volonté annoncée par le CERN de mettre en œuvre un super-collisionneur de type FCC, des électro-aimants supraconducteurs à haut champ à base de Nb3Sn sont développés. Dans le cadre de la collaboration européenne HFM (High Field Magnets), le LEAS au CEA Paris-Saclay conçoit, fabrique, et teste des démonstrateurs d’aimants supraconducteurs à base de Nb3Sn générant jusqu’à 16 T. Les conducteurs Nb3Sn requièrent un traitement thermique à 650°C. Au cours de ce traitement thermique, différents phénomènes physico-chimiques mènent à la formation de la phase supraconductrice Nb3Sn. Ces phénomènes induisent un état mécanique impactant les propriétés supraconductrices du matériau. Or, les propriétés mécaniques de la phase Nb3Sn, et des autres matériaux constituants le conducteur, sont peu voire pas du tout connues. Le but de cette thèse est d’étudier, à l’aide de modélisations et d’expériences, l’état thermomécanique de conducteurs lors du traitement thermique afin d’estimer les contraintes internes et leur impact sur les performances supraconductrices. Les résultats permettront d’améliorer les performances supraconductrices du Nb3Sn en vue de produire des aimants à haut champ pour les futurs accélérateurs.
PREDICTION PAR LA SIMULATION DES VIBRATIONS DANS LES CENTRIFUGUESES
Les machines tournantes sont des équipements critiques dans de nombreuses installations industrielles et leur exploitation s’accompagne régulièrement de problèmes d’équilibrage qui occasionnent l’apparition de vibrations potentiellement dangereuses pour les opérateurs et les équipements. La décanteuse pendulaire centrifuge est parfois le siège de vibrations qui obligent l’exploitant à ralentir la cadence de production. L’environnement nucléaire dans lequel ces équipements sont exploités ne permet pas de réaliser les mesures et observations nécessaires à une étude purement expérimentale. L’objectif est donc de réaliser une modélisation à partir de données limitées afin d’amener à une compréhension fine des phénomènes en jeu. Le sujet de thèse se propose de coupler des simulations CFD de type Euler-Euler de la répartition de masse dans le bol tournant avec une modélisation masse-ressort des liaisons mécaniques afin de s’approcher des signaux vibratoires mesurés industriellement. Un tel outil numérique serait une aide précieuse pour explorer les diverses pistes, sources potentielle d’apparition d’un déséquilibre de masse, et cela sans avoir à passer par une reproduction expérimentale. Associé à des méthodes de deep learning, ce type de modèle permettrait aussi de bâtir un prédicteur de balourds à partir de courts signaux vibratoires ouvrant la porte à un pilotage actif de la décanteuse.
Conception et optimisation d'un concept innovant de couverture tritigène pour réacteur à fusion nucléaire compact à haut flux de chaleur
Compétences :
Techniques : thermique, mécanique des structures, hydraulique, matériaux, simulation numérique
Non technique : rédaction, relationnel, anglais
Prérequis :
Cette thèse sera précédée d’un stage de 6 mois. Contacter l’encadrant pour découvrir le sujet.
Contexte :
Cette thèse porte sur la conception et l'optimisation d'une couverture tritigène innovante pour les réacteurs de fusion nucléaire compacts. La fusion nucléaire offre une solution prometteuse pour produire une énergie propre et durable. Cependant, elle nécessite la production continue de tritium, un isotope rare, à partir de couvertures tritigènes entourant le plasma. Ces couvertures doivent également extraire la chaleur générée. Dans les réacteurs compacts, les contraintes techniques sont accrues par des flux de chaleur et des sollicitations thermiques et neutroniques très élevés.
La thèse se déroulera au sein du Bureau de Conceptions, Calculs et Réalisations du CEA Saclay, un acteur reconnu concernant le développement de couvertures tritigènes à l’échelle européenne. Ce bureau a conçu plusieurs concepts, tels que le HCLL (Helium Cooled Lithium Lead) et le BCMS (Breeder and Coolant Molten Salt), deux types de couvertures basées sur des systèmes de refroidissement à l'hélium ou aux sels fondus.
Description de la thèse :
Le programme de recherche se déroulera sur trois ans. La première année sera dédiée à l'étude des couvertures existantes, à l'identification des contraintes des réacteurs compacts, à la sélection de matériaux et fluides caloporteurs adaptés, et à la conception préliminaire du modèle. Les années suivantes seront consacrées à la modélisation multiphysique (thermique, mécanique, neutronique), suivie de l'optimisation itérative du concept pour améliorer ses performances.
Perspectives :
Les résultats de cette thèse auront un impact significatif sur le développement des réacteurs de fusion compacts, en garantissant la production de tritium et l’intégrité des structures. Ce travail pourrait également ouvrir des perspectives pour des recherches futures sur des couvertures tritigènes encore plus avancées, contribuant à l'essor d'une énergie de fusion durable et commercialement viable.
Conception et Optimisation d'un Procédé Innovant pour la Capture du CO2
Dans une enquête réalisée en 2023 par la BEI, deux tiers des jeunes français ont affirmé que l’impact climatique des émissions de leur potentiel futur employeur est un facteur important au moment de choisir un emploi. Mais pourquoi s’arrêter là quand vous pouvez choisir de travailler activement pour la réduction de ces émissions, tout dans le cadre d’un sujet de recherche riche et passionnant ? Au Laboratoire de Simulation de Procédés et analyse de Systèmes, nous proposons une thèse qui vise à concevoir et ensuite à optimiser un procédé pour la capture du CO2 dans les rejets gazeux des industries. Son principe de fonctionnement dérive du procédé « Benfield » pour la capture du CO2. Nous proposons des conditions opératoires optimisées pour lesquels le procédé Benfield serait plus performant. Le deuxième axe d’innovation consiste dans une étude de couplage thermique avec une installation industrielle disposant de la chaleur à céder.
La recherche sera menée en collaboration avec le CEA de Saclay et le Laboratoire de Génie Chimique (LGC) à Toulouse. Dans un premier temps, le thésard va réaliser des travaux de simulation numérique à l’aide d’un logiciel de simulation de procédé (ProSIM). Ensuite, il pourra explorer et proposer différentes solutions pour minimiser le besoin énergétique du procédé. Les schémas de procédé obtenus pourront être validés expérimentalement au LGC, où le thésard sera encadré par des experts en procédé de transfert liquide-gaz. Il sera responsable de mettre en place un montage expérimental à l’échelle pilote pour acquérir des données sur les étapes d’absorption et désorption en colonne, avec un garnissage de structure innovante conçu par la fabrication additive. Il conduira lui-même les manips et pourrait éventuellement encadrer un stagiaire pour le support aux acquisitions expérimentales.
Si vous êtes passionné du Génie de Procédés et que vous cherchez un sujet de thèse stimulant et de grand impact pour la société, postulez et intégrez nos équipes !