Optimisation et contrôle de la température dans les systèmes pile à combustibles
Les piles à combustible à membranes échangeuses de proton (PEMFC) représentent une technologie clé pour le développement de systèmes énergétiques propres et durables, en particulier pour des applications lourdes dans le transport où leur densité énergétique est très intéressante. Néanmoins, afin de représenter une alternative industrielle viable, un certain nombre de verrous doit encore être levé parmi lesquelles les coûts d’exploitation et surtout la durabilité des systèmes en conditions réelles d’usage. Parmi les leviers d’action, l’optimisation des conditions opératoires est une piste prometteuse pour limiter les phénomènes de dégradations ayant lieu au sein de la pile. La température de fonctionnement est en particulier un paramètre clé car elle intervient à toutes les échelles : de la cinétique des mécanismes de dégradation à la capacité thermique que le système peut dissiper, en passant par l’équilibre en eau au sein de la pile. Malgré l’influence de ce paramètre sur la durabilité, celle-ci n’est généralement optimisée à l’échelle système que pour obtenir les meilleures performances, le temps de réponse le plus court possible et limiter la taille du système de gestion thermique.
L’objectif de cette thèse est de travailler à l’optimisation de la gestion de température d’une pile à combustible au sein d’un système en prenant en compte non seulement le critère de performances mais aussi celui de la durabilité. Pour ce faire l’impact de la température de fonctionnement sur les mécanismes de dégradation sera analysée à l’aide des différents outils de simulation déjà présents au sein du LITEN et de la quinzaine d’années d’expérience des équipes sur l’étude de la dégradation des piles à combustible PEMFC. Différentes architectures thermiques seront proposées et évaluées en lien avec les travaux d’optimisation des lois de contrôle de la température. Ces dernières pourront être mise en œuvre sur un système pile à combustible réel dans le but de démontrer la pertinence de la solution proposée par des données expérimentales concrètes.
Etude du comportement en début de vie du combustible MOX à isotopie dégradée.
La France a fait le choix d'un cycle du combustible nucléaire dit « fermé ». Il consiste à traiter le combustible usé pour récupérer ses matières valorisables (uranium et plutonium), tandis que ses autres composés (produits de fission et actinides mineurs) constituent les déchets ultimes. Le combustible UO2 irradié en Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) est ainsi aujourd’hui retraité pour produire du plutonium (PuO2), réutilisé ensuite sous forme de combustible MOX (Mixed Oxide) lui-même irradié en REP : on parle de monorecyclage du plutonium. La solution de multi-recyclage des matières via l’utilisation de combustibles contenant du Pu issu du traitement d’assemblages MOX usés, est une perspective actuellement étudiée au CEA. Ce plutonium multi-recyclé contient une plus forte proportion d’isotopes à forte activité alpha (Pu238,Pu240,Pu 241/Am241), entraînant une auto-irradiation alpha plus sévère que dans les MOX actuels [1]. Ceci exacerbe certains phénomènes physiques [2-5] (gonflement du combustible lié à la précipitation de l’hélium et à la création de défauts cristallins, baisse de la conductivité thermique)[6-8], pouvant altérer son comportement en réacteur.
La thèse proposée vise à étudier l’impact de ces phénomènes sur le comportement en début d’irradiation de combustibles MOX, via une approche expérimentale couplée à la modélisation. Des traitements thermiques seront utilisés pour analyser les mécanismes de guérison des défauts cristallins et le comportement de l’hélium. Diverses techniques expérimentales permettant de caractériser la structure et microstructure (diffraction X, MEB, spectroscopie Raman, microsonde), les densités de défauts (MET), le relâchement d’hélium (KEMS), la reproduction du gradient thermique (laser CLASH) et la mesure de conductivité thermique (laser LAF) seront utilisées. Les résultats alimenteront des simulations pour modéliser la microstructure et les propriétés thermiques.
Cette étude transverse et pluridisciplinaire permettra de mieux appréhender les phénomènes mis en jeu lors de la première montée en puissance pour des combustibles endommagés par l’auto-irradiation alpha, avec un accent tout particulier sur l’impact de l’He produit par décroissance.
Vous serez basé au Laboratoire d'Etude de Conception et d'Irradiation Multi filière au sein de l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone du CEA/Cadarache dont vous dépendrez. Vous collaborerez également avec le Laboratoire d'analyses chimiques et caractérisation des MATériaux (LMAT)du CEA/Maroule ainsi que le centre de recherche européen (JRC) de Karlsruhe pour la partie expérimentale. Vous pourrez valoriser vos résultats au travers de publications scientifiques et participations à des congrès. Vous aurez l’occasion d’apprendre ou de vous perfectionner dans plusieurs techniques réutilisables dans d’autres contextes, applicables à de nombreux domaines de la science des matériaux et de l’ingénieur.
[1]O. Kahraman, thésis, 2023.[2]M. Kato et al., J Nucl Mater, 393 (2009) 134–140.[3]L. Cognini et al., Nuclear Engineering and Design 340 (2018) 240–244.[4] T. Wiss et al., Journal of Materials Research 30 (2015) 1544–1554.[5]D. Staicu et al., J Nucl Mater 397 (2010) 8–18.[6] T. Wiss et al.,Front. Nucl. Eng. 4 (2025) 1495360.[7]E.P. Wigner, J. Appl. Phys. 17 (1946) 857–863.[8]D. Staicu et al., Nuclear Materials and Energy 3–4 (2015) 6–11.
Simulation parallèle et raffinement adaptatif de maillage pour des problèmes de mécanique 3D
Le challenge de cette thèse est de mettre en place des méthodes numériques de raffinement adaptatif de maillage pour la mécanique 3D non linéaire adaptées aux calculateurs parallèles.
Ce sujet est proposé dans le cadre du programme et équipements prioritaires de recherche (PEPR) NumPEx (Numérique Pour l’Exascale). Il est intégré dans le Projet Ciblé Exa-MA (Méthodes et Algorithmes pour l’Exascale). La thèse se déroulera au CEA Cadarache au sein de l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE), dans l’équipe de développement de la plateforme logicielle PLEIADES, spécialiste de la simulation du comportement du combustible et des méthodes numériques multi-échelles.
Lors d’une simulation par éléments finis, l’adaptation automatique de maillage (ou AMR en anglais, pour Adaptive Mesh Refinement) est devenue un outil incontournable pour réaliser des calculs précis avec un nombre d’inconnues contrôlé. Les phénomènes à prendre en compte, en particulier en mécanique des solides, sont souvent complexes et non-linéaires : contact entre solides déformables, comportement viscoplastique, fissuration… Par ailleurs, ces phénomènes requièrent des modélisations intrinsèquement 3D. Ainsi le nombre d’inconnues à prendre en compte nécessite l’utilisation de solveurs parallèles. Un des défis actuels est donc de combiner méthodes de raffinement adaptatif de maillage et mécanique non linéaire des solides pour une utilisation sur calculateurs parallèles.
Le premier axe de recherche de cette thèse concerne la mise au point d’une méthode de raffinement de maillage (de type block-structured ) pour la mécanique non-linéaire, avec adaptation dynamique de maillage. On s’intéressera ainsi aux opérateurs de projections pour obtenir une solution AMR dynamique précise lors de l’évolution des zones raffinées.
L’autre axe sera dédié au traitement efficace du contact entre solides déformables dans un environnement parallèle. Il s’agira d’étendre des travaux précédents limités à des maillages de contact concordants au cas de géométries de contact quelconques (algorithme de type nœud-à-surface).
L’environnement de développement privilégié sera l’outil MFEM. La gestion des éléments finis et la réévaluation dynamique du maillage adaptatif nécessite d’évaluer (et probablement améliorer) l’efficacité des structures de données impliquées. De grands calculs 3D seront réalisés sur des supercalculateurs nationaux en utilisant des milliers de cœurs de calcul. Cela permettra de s’assurer du passage à l’échelle des solutions mises en place.
Modélisation d’une phase dispersée hors équilibre et de sa fragmentation
Dans le cadre de l’utilisation durable de l’énergie nucléaire pour produire une électricité décarbonée, les réacteurs de 4e génération dits « à neutrons rapides » sont nécessaires pour fermer le cycle du combustible.
Cette thèse s’inscrit dans le cadre des études de sûreté associées à de tels réacteurs à caloporteur sodium et plus particulièrement la situation hypothétique d'un coeur fondu qui se relocalise par gravité vers le récupérateur en fond de cuve. Un jet de corium (mélange de combustible et éléments structurels du coeur fondus) interagit alors violemment avec le fluide caloporteur, induisant entre autres la fragmentation du jet de corium en gouttes couplée à l’ébullition en film du réfrigérant. Les caractéristiques de la phase dispersée de corium résultante et de sa fragmentation sont déterminantes pour étudier le risque d’emballement et d’explosion vapeur.
L’objectif de la thèse est ainsi de modéliser une phase dispersée et sa fragmentation dans un fluide environnant, avec une approche à la fois performante et capable de rendre compte des variétés d’échelle et des déséquilibres thermiques entre les gouttes et la phase porteuse. La méthode envisagée pour satisfaire ces objectifs est la méthode des moments qui découle d’un modèle cinétique. Elle demande une fermeture adéquate et des schémas numériques satisfaisant des contraintes non standards, en offrant en retour un compromis coût/précision primordial dans le contexte étudié. Les avancées seront a priori implémentées dans le logiciel CFD SCONE construit sur la plateforme open-source TRUST du CEA.
Le lieu de travail principal sera basé au LMAG (Laboratoire de Modélisation des Accidents Graves) au sein de l’institut IRESNE du CEA Cadarache. Une partie des travaux sera aussi réalisée au Laboratoire EM2C (Energétique Moléculaire et Macroscopique, Combustion) – CNRS/CentraleSupélec à Paris.
Le futur docteur travaillera dans un environnement scientifique dynamique et pourra acquérir des compétences par la suite prétendre à des postes académiques et de R&D industriels.
Mots-clés : Phase Dispersée, Fragmentation, Cinétique, Méthode des Moments, Multiphasique, Méthodes Numériques, Accidents Graves.
Poudres d’UO2: Caractérisation morphologique des agrégats et étude de leurs interactions par une approche combinée expérimentale / numérique
Cette thèse s’inscrit dans le cadre de l’optimisation des procédés de fabrication des combustibles nucléaires, qui reposent sur la métallurgie des poudres d’oxyde d’uranium (UO2) et de plutonium (PuO2). Ces poudres présentent une microstructure hiérarchisée, composée de cristallites formant des agrégats rigides, eux-mêmes agglomérés en structures de plus grande taille. La morphologie et les interactions entre agrégats jouent un rôle déterminant dans le comportement macroscopique des poudres — notamment leur coulabilité, leur compressibilité et leur capacité d’agglomération — et conditionnent la qualité des pastilles obtenues après pressage et frittage. Cependant, la caractérisation expérimentale de ces agrégats reste complexe et ne permet pas encore d’établir un lien prédictif entre les procédés de synthèse et les propriétés morphologiques.
L’objectif de cette thèse est de combiner des approches expérimentales et numériques pour caractériser finement les agrégats d’une poudre de référence. D’un point de vue expérimental, des techniques telles que la microscopie électronique à balayage (MEB), la mesure de surface spécifique (BET) et la granulométrie laser seront utilisées pour déterminer la taille, la rugosité et la distribution en taille des particules. En parallèle, des simulations numériques de type Discrete Element Method (DEM) seront utilisées afin de construire un jumeau granulaire fidèle aux propriétés mesurées. Ce jumeau permettra de remonter à la structure interne des agrégats, d’évaluer les forces d’adhésion interparticulaires et d’analyser les phénomènes d’agglomération et de densification en conditions contrôlées.
La thèse se déroulera au CEA Cadarache au sein de l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE). L’étudiant sera affecté au Laboratoire de Développement des OCS combustibles PLEIADES (LDOP) qui est spécialiste de la simulation du comportement du combustible (de la fabrication à son comportement sous irradiation) et des méthodes numériques multiéchelles. Elle sera réalisée en collaboration avec le CNRS/LMGC de Montpellier, reconnu internationalement pour ses travaux sur les milieux granulaires, et le Laboratoire des Combustibles Uranium (LCU- CEA Cadarache), qui a une forte expérience sur la caractérisation expérimentale des poudres d’Uranium.
Le doctorant devra montrer principalement des compétences en simulation numérique et dans l’analyse physique des résultats. Il valorisera ses résultats au travers des publications et participations à des congrès et aura l’occasion d’apprendre ou de se perfectionner dans plusieurs techniques (expérimentales et numériques) réutilisables dans d’autres contextes. 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.
[Hebrard2004] S.Hebrard, Etude des mécanismes d’évolution morphologique de la structure des poudres d’UO2 en voie sèche, thèse de doctorat, CEA-LSG2M-COGEMA), 2004.
[Pizette2010] P. Pizette, C.L. Martin a, G. Delette, P. Sornay, F. Sans, Compaction of aggregated ceramic powders: From contact laws to fracture and yield surfaces, Powder Technology, 198, 240-250, 2010.
[Tran2025] T.-D. Tran , S. Nezamabadi , J.-P. Bayle, L. Amarsid, F. Radjai , Effect of interlocking on the compressive strength of agglomerates composed of cohesive nonconvex particles, Advanced Powder Technology 36, 2025.
Modélisation Micromécanique du Comportement de Polycristaux aux Interfaces Imparfaites : Application au Combustible UO2 Irradié
Cette thèse a pour objectif d’analyser les propriétés thermomécaniques du combustible UO2, utilisé dans les réacteurs à eau pressurisée (REP), en considérant la présence de défauts microscopiques. Celle-ci se concentre plus particulièrement sur les phénomènes de décohésion intergranulaire, observés à différents stades d’évolution du combustible, notamment en amont de l’initiation et de la propagation de fissures. Cette étude vise à clarifier l’impact de la décohésion sur les propriétés locales et effectives de l’UO2 au cours de son irradiation. Pour cela, la décohésion intergranulaire est modélisée, à l’échelle locale, à l’aide de modèles d’interfaces imparfaites, assurant la continuité de la traction tout en autorisant un saut de déplacement à l'interface entre les différents grains. Ce choix permettra le développement de modèles d'homogénéisation avec des développements théoriques et numériques innovants, à même de retranscrire le comportement du combustible à très haute température, en conditions incidentelles et accidentelles. Ces travaux seront réalisés au CEA Cadarache au sein de l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE) en étroite collaboration avec des équipes de recherche nationales et internationales. Les outils développés contribueront à améliorer la compréhension des propriétés du combustible et à renforcer la précision et la fiabilité des modèles existants, notamment ceux intégrés dans la plateforme de simulation PLEIADES du CEA, développée en collaboration avec les industriels français du nucléaire.
Fissuration sous gradient thermique du combustible lors d’une chauffe laser: corrélation d’images, simulation et adaptation du dispositif expérimental.
Le sujet de cette thèse propose de simuler la fissuration du combustible nucléaire, constitué d'une céramique fragile, le dioxyde d'uranium, au cours d’essais de chauffe laser et de comparer par corrélation d'images résultats numériques et expérimentaux. Cette comparaison permettra d'optimiser le dispositif expérimental pour améliorer la qualité des résultats expérimentaux et aller vers une validation quantitative des modèles d'endommagement à gradient utilisés dans les simulations.
Le point de départ de ces travaux est une campagne de fragmentation de pastilles de dioxyde d’uranium par chauffe laser qui a été menée dans le cadre du doctorat d’Hugo Fuentes[1] réalisée dans l'un des laboratoires expérimentaux du l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE) du CEA Cadarache (DEC/SA3E/LAMIR). Cette chauffe permet de reproduire des gradients de température représentatifs des conditions en réacteurs. Pour chaque essai, des films montrant l’évolution des fissures et l’évolution des températures en surface de pastille sont disponibles.
Ces films seront analysés par corrélation d'images [3] grâce à un logiciel interne pour déterminer des conditions aux limites optimales des simulations numériques et extraire les données utiles à la validation des modèles. Les essais seront ensuite modélisés par des modèles d'endommagement à gradient développés dans les thèses de David Siedel et Pedro Nava Soto [2]. En fonction des résultats obtenus, le doctorant pourra optimiser le dispositif et/out l'adapter pour traiter d'autres situations de fonctionnement et mener une nouvelle campagne expérimentale.
Le doctorant sera en interaction forte entre un laboratoire de simulation et un laboratoire expérimental au sein de l'institut IRESNE du CEA Cadarache . Le travail proposé est ouvert et pourra être valorisé par des participations à des conférences nationales ou internationales et l'écriture d'articles scientifiques dans des revues à fort impact.
[1] Fuentes, Hugo, Doualle, Thomas, Colin, Christian, Socié, Adrien, Helfer, Thomas, Gallais, Laurent and Lebon, Frédéric. Numerical and experimental simulation of nuclear fuel fragmentation via laser heating of ceramics. In : Proceeding of top fuel 2024. Grenoble, 29 September 2024.
[2] Nava Soto, Pedro, Fandeur, Olivier, Siedel, David, Helfer, Thomas and Besson, Jacques. Description of thermal shocks using micromorphic damage gradient models. European Solid Mechanics Conference, Lyon. 2025.
[3] Castelier Etienne, Rohmer E., Martin E., Humez B. Utilisation de la dimension temporelle pour ameliorer la
correlation d'images. 20 eme Congres Francais de Mecanique, 2011.
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)