Vers une simulation temps réel des scènes thermiques dans un tokamak en support aux opérations plasma
Le contrôle des températures de surface et des flux de chaleur des parois des centrales de fusion nucléaire est essentiel pour le bon fonctionnement des machines de fusion. Pour fiabiliser ces mesures, notamment par imagerie infrarouge, le CEA développe un jumeau numérique capable de modéliser l'ensemble de la chaîne de mesure infrarouge (IR), de la source thermique au capteur.
L'objectif de cette thèse est de créer un modèle thermique permettant de prédire les flux de chaleur et les températures de surface sur l'ensemble des parois de la machine, avec une visée de calcul en temps réel. Cette approche repose sur deux développements clés :
1)Développement d'une méthode statistique de type Monte Carlo : cette méthode permettra de résoudre l'équation de la chaleur sur de grandes géométries dans un environnement complexe, incluant une diversité de sources de chaleur et de matériaux.
2)Accélération des calculs sur carte graphique (GPU) : Utilisation de l'environnement Kokkos pour optimiser les performances des calculs, tout en assurant la portabilité sur toutes les plateformes de calcul haute performance (HPC).
Ces développements seront validés et évalués quantitativement sur deux plateformes expérimentales: le banc de test en laboratoire MAGRYT et le tokamak WEST, utilisé comme machine démonstrateur. La thèse sera réalisée dans un cadre collaboratif entre le CEA/DRF/IRFM et le CEA/DES/ISAS. Les développements seront intégrés dans le jumeau numérique IR du CEA/IRFM pour les machines de fusion et dans une application dédiée au lancer de rayons pour le CEA/DES.
Étude numérique de la sensibilité de la transition à la turbulence des couches-limites hypersoniques aux modèles de gaz pour en conditions de vol.
Cette thèse vise à améliorer la compréhension des écoulements hypersoniques et notamment le phénomène de transition laminaire-turbulent. Pour assurer une conception correcte des véhicules hypersoniques, il est important de prédire précisément les flux thermiques à la paroi. Ces flux sont très fortement contraints par la nature de la couche limite (laminaire/ transitionnelle/ turbulente). Or, les mécanismes à l’origine de la transition laminaire-turbulent sont complexes et souvent mal compris.
Ce constat est d’autant plus vrai lorsque la complexité thermochimique de l’écoulement augmente, notamment pour des hauts nombres de Mach, où les effets dits de gaz réel tels que la dissociation ou le non-équilibre thermochimique ne sont plus négligeables. Cependant, devant certaines difficultés de simulation de ces effets, la plupart des études sont aujourd’hui encore effectuée en gaz parfait, même pour des nombres de Mach intermédiaire (7 par exemple). Ainsi, le rôle des effets thermochimiques sur les étapes successives de la transition reste encore mal connu.
Dans ce contexte, cette thèse vise à étudier numériquement l’impact de la montée en complexité des modèles de gaz sur la transition laminaire-turbulent. L’objectif final de la thèse est d’être en capacité d’effectuer des simulations numériques haute-fidélité de transition laminaire-turbulente en conditions de vol, et de mieux maitriser les modèles physiques et les paramètres de similitudes nécessaires pour restituer les essais en vol.
Pendant la thèse, le candidat sera amené à :
• Produire un état de l’art des modèles de gaz et leur influence sur les instabilités hydrodynamiques ;
• Réaliser des simulations haute-fidélité de cas canoniques de transition laminaire turbulente en faisant varier les modèles de gaz et les modèles thermochimiques utilisés ;
• Etudier l’impact de ces modèles sur les scénarios de transition ;
• Explorer les paramètres influents pour l’étude de la transition laminaire turbulente a haut Mach et haute-enthalpie.
Pour effectuer ces taches, le candidat pourra s’appuyer sur une collaboration constituée de trois organismes de recherche que sont l’ONERA, le laboratoire DynFluid de l’ENSAM Paris et le CEA-DAM, sur le centre du CESTA. Ces deux derniers organismes sont respectivement spécialisés dans la physique des gaz compressibles et la physique de la rentrée-atmosphérique. Ainsi, l’étudiant bénéficiera d’une base de connaissance solide en simulation de transition laminaire turbulente des gaz parfaits (ONERA/DYNFLUID/CEA), de bases de données expérimentales de références d’essais en soufflerie (ONERA/CEA) et de la maitrise des modèles thermochimiques complexes (Dynfluid/CEA). Cette thèse s’effectuera pour la première période en région parisienne à DynFluid pour monter en maturité sur la physique et les outils numériques, elle se suivra par une seconde période au CESTA à Bordeaux, afin de bénéficier des infrastructures de calcul et de l’expérience en rentrée-atmosphérique du CEA-DAM.
Transition implicite/explicite pour la simulation numérique de problèmes d’Interaction Fluide Structure traités par des techniques de frontières immergées
Dans de nombreux secteurs de l’industrie, des phénomènes transitoires rapides interviennent dans des scénarii accidentels. Dans le cadre de l’industrie nucléaire, on peut citer, par exemple, l’Accident de Perte de Réfrigérant Primaire dans lequel une onde de détente susceptible de provoquer la vaporisation du fluide primaire et d’engendrer des dégâts structuraux se propage dans le circuit primaire d’un Réacteur nucléaire à Eau Pressurisée. De nos jours, la simulation de ces phénomènes transitoires rapides repose majoritairement sur des algorithmes d’intégration temporelle « explicites » car ils permettent de traiter de manière robuste et efficace ces problèmes qui sont généralement fortement non-linéaires. Malheureusement, du fait des contraintes de stabilité imposées sur les pas de temps, ces approches peinent à calculer des régimes permanents. Face à cette difficulté, dans de nombreux cas, on néglige les grandeurs cinématiques et les contraintes internes de l’état stationnaire du système considéré au moment de la survenue du phénomène transitoire simulé.
Par ailleurs, les applications visées font intervenir des structures solides en interaction avec le fluide, qui subissent de grandes déformations et peuvent éventuellement se fragmenter. Une technique de frontières immergées dite MBM (Mediating Body Method [1]) récemment développée au CEA permet de traiter de manière performante et robuste des structures à géométrie complexe et/ou subissant de grandes déformations. Cependant, ce couplage entre le fluide et la structure solide n’a été pensé que dans le cadre de phénomène transitoire « rapides » traités par des intégrateurs en temps « explicites ».
Le sujet de thèse proposé a pour objectif final d’enchaîner un calcul d’un régime nominal suivi d’un calcul transitoire dans un contexte d’interaction fluide/structure-immergée. La phase transitoire du calcul repose nécessairement sur une intégration temporelle explicite et fait intervenir la technique d’interaction fluide/structure MBM. Afin de générer un minimum de perturbations numériques lors de la transition entre les régimes nominal et transitoire, le calcul du régime nominal devra se faire sur le même modèle numérique que le calcul transitoire, et donc s’appuyer également sur une adaptation de la méthode MBM.
Des travaux récents ont permis de déterminer une stratégie efficace et robuste pour le calcul de régimes établis pour des écoulements compressibles, basée sur une intégration « implicite » en temps. Cependant, bien que générique, cette approche n’a pour le moment été éprouvée que dans le cas de gaz parfaits, et en l’absence de viscosité.
Les principaux enjeux techniques de cette thèse consistent, en se basant sur ces premiers travaux, à 1) valider et éventuellement adapter la méthodologie pour des fluides plus complexes (en particulier de l’eau), 2) introduire et adapter la méthode MBM pour l’interaction fluide-structure dans cette stratégie de calcul de régime établi, 3) introduire la viscosité du fluide, notamment dans le cadre de la méthode MBM développée initialement pour des fluide non-visqueux. A l’issue de ces travaux, des calculs de démonstration de transition implicite/explicite avec interaction fluide/structure seront mis en place et analysés.
A l’issue de la thèse, l’expérience de l’étudiant(e) pourra être valorisée vers des postes de chercheurs dans l’industrie (nucléaire, automobile, ferroviaire, aéronautique, médicale, …), et dans le réseau académique.
Un stage de fin d'études préparatoire à ces travaux de thèse peut être mis en place, selon les souhaits du candidat.
[1] Jamond, O., & Beccantini, A. (2019). An embedded boundary method for an inviscid compressible flow coupled to deformable thin structures: The mediating body method. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 119(5), 305-333.
Amélioration des modèles de fissuration - Application aux matériaux vitrocéramiques sollicités par auto-irradiation
La vitrification des déchets nucléaires est une solution actuellement retenue pour le stockage des déchets nucléaires. Les matériaux vitrocéramiques, envisagés pour cette application, sont constitués d’une matrice de verre et d’inclusions de phases cristallines. Riches en éléments radioactifs, ces inclusions subissent une auto-irradiation ayant pour conséquence leur gonflement, susceptible d’engendrer une fissuration de la matrice de verre. Il est nécessaire de connaitre le taux d’inclusions maximal en dessous duquel le matériau ne fissure pas. Une étude expérimentale sur matériaux radioactifs, élaborés et suivis au court du temps, coûte excessivement cher et le développement d’une approche numérique pourrait permettre de mieux cibler les matériaux à étudier.
Suite aux travaux de thèse de Gérald Feugueur sur le sujet ayant mis en évidence une difficulté des modèles actuels à dissocier initiation et propagation des fissures, l’objectif principal est ici de développer et tester un modèle de champ de phase amélioré intégrant un critère de nucléation de fissure indépendant de l’élasticité, basé sur des modèles régularisés de plasticité adoucissante. L’implémentation du modèle sera réalisée en utilisant la méthode des éléments finis (code FEniCS) et une méthode alternative utilisant les transformées de Fourier (code AMITEX). En complément d’une validation croisée, l’implémentation la plus efficace sera retenue pour une application à des microstructures 3D de grande taille. Des échanges étroits avec le CEA Marcoule permettront de caractériser la microstructure des matériaux et une expérience en cours devrait permettre d’analyser la fissuration potentielle de ces matériaux sous auto-irradiation.
Méthodes de caractérisation pour les cibles de fusion par confinement inertiel du Laser Mégajoule
Une des voies pour la fusion par confinement inertiel avec le Laser MégaJoule nécessite la mise en forme d’une couche sphérique de deutérium-tritium solide à température cryogénique. Une problématique est la caractérisation l’épaisseur de solide qui constitue une donnée primordiale pour l’expérience. Cette caractérisation sera réalisée de deux manières différentes : par ombroscopie optique et par rayons X par contraste de phase. Un procédé cryogénique (cryostat) fonctionnant à environ 20 kelvins, mis au point au CEA, permet d'ores et déjà de développer les futures cibles cryogéniques du LMJ et les moyens de caractérisation associés.
Les objectifs de la thèse sont la compréhension et la modélisation théorique et numérique des phénomènes physiques, la mise au point d'un banc de caractérisation adapté autour du cryostat et le traitement des signaux et des images pour la description tri-dimensionnelle de la couche de DT.
L’étudiant devra dans un premier temps s’approprier le fonctionnement du cryostat, de son système de commande et de son système de caractérisation sommaire actuel. Après une phase d'étude bibliographique, il devra étudier théoriquement et numériquement les phénomènes physiques en oeuvre afin de concevoir le système d'acquisition et un traitement d’image permettant la caractérisation tri-dimensionnelle d’une couche de DT solide à partir de clichés obtenus lors des expériences en deutérium sur le cryostat d’étude. Enfin, il pourra être demandé de coupler la commande et la caractérisation dans l’optique de l’optimisation du procédé. Pour chacune de ces problématiques, l'étudiant pourra s’appuyer sur des données bibliographiques, des résultats d'études passées ainsi que sur le savoir-faire des équipes du laboratoire d’accueil.
Conformément aux engagements pris par le CEA en faveur de l'intégration des personnes en situation de handicap, cet emploi est ouvert à tous et toutes.
Compréhension et modélisation du transport des gaz dans un combustible UO2 présentant plusieurs familles de porosités
Les céramiques à base de dioxyde d’uranium UO2 constituent les combustibles nucléaires privilégiés des réacteurs en service en France. Afin de mener des études et expertises, le CEA développe des schémas numériques avancés pour la simulation prédictive du comportement de ces combustibles, s’appuyant sur une démarche d’amélioration continue des modèles et des lois de propriétés physiques des matériaux.
Les combustibles nucléaires de type UO2 sont des céramiques poreuses dont la microstructure dépend de leur procédé de fabrication (compaction de poudres), notamment en termes de forme et localisation de la porosité. Dans le cas du travail de recherche proposé ici, cette porosité est composée de deux familles (Meynard et al, 2018) : une famille de forme sphérique de petite taille et une famille de forme filamentaire de plus grande taille. La porosité filamentaire est pour partie connectée avec le milieu extérieur au combustible (porosité dite ouverte et percolante) et la porosité sphérique est plus isolée (porosité dite fermée). Les phénomènes physiques prenant place en réacteur entrainent une évolution de ces porosités et la création de produits de fission gazeux qui tendent à s’écouler dans le réseau poreux.
L’objectif de cette thèse est de développer un modèle d’écoulement de gaz en présence de : 1/ deux populations chimiques (xénon/krypton et hélium), 2/ deux populations de pores de topologie et d’échelle différentes, et 3/ dont les propriétés évoluent avec le temps.
Compte tenu de l’hétérogénéité de la microstructure, le modèle d’écoulement s’appuiera sur des outils numériques de génération de microstructures poreuses partiellement disponibles dans la littérature tels que les classiques pavages de Voronoï ou les plus récents processus de dépôt-compaction/diagénèse [Wojtacki et al, 2017]. L’effet des deux réseaux de porosité sur l’évolution de la perméabilité effective du milieu sera ensuite évalué en associant des méthodes analytiques et numériques de calcul d’écoulement. Une validation finale du modèle sera menée par comparaison avec des observations expérimentales récentes réalisées sur combustibles non irradiés et irradiés comprenant des mesures de porosités et de relâchement de gaz.
Ce travail de thèse sera mené au Service d’Etudes et Simulation du comportement des Combustibles du Département d’Etudes des Combustibles de l'institut IRESNE (CEA-Cadarache) et en collaboration avec le Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC) de l'Université de Montpellier. Il pourra être valorisé par des publications et des présentations en conférences internationales.
Maillage hexaédrique d’ordre élevé massivement parallèle
L’objectif du travail de thèse est de développer un algorithme de maillage hexaédrique de type Overlay-
Grid en contexte HPC, avec l’ambition d’obtenir des maillages hexaédriques d’ordre élevé et comportant
potentiellement plusieurs milliards de mailles. Nous considérons que nous devons dans ce travail satisfaire
les contraintes suivantes :/
— La solution proposée doit être efficiente en priorité dans un contexte de parallélisme hybride mêlant
mémoire distribuée (MPI) et mémoire partagée (threads). Cela nécessitera entre autres d’équilibrer
la charge de travail entre les différents processus (légers ou non) impliqués dans le calcul ;
— Les domaines géométriques à discrétiser pourront être aussi bien modélisés par des modèles de CAO,
ou des grilles de fraction de présence ;
— Le maillage obtenu comportera des mailles de différents ordres pour s’adapter au bord géométrique
du domaine spatial discrétisé.
Sous ces contraintes, la solution proposée sera analysée et comparée aux méthodes de l’état de l’art sur
différents aspects purement informatiques. La qualité des maillages obtenus sera confrontée à des besoins de
codes de simulation du CEA.
Modélisation et remontée d’échelle pour un écoulement sodium en ébullition dans les cœurs de RNR
L'ébullition stabilisée dans le sodium est étudiée depuis de nombreuses années au sein du CEA afin d'améliorer la validation des outils de calcul scientifique à l’échelle globale système tels que CATHARE3. Pouvoir reproduire correctement ce phénomène est une question clé liée à la sûreté des réacteurs de 4ème génération à métal liquide (RNR-Na). Lorsqu'une perte de débit non protégée se produit dans le réacteur et que les mesures de sûreté ne sont pas déployées, le liquide de refroidissement (le sodium) peut atteindre la saturation, ce qui risque de conduire à une dégradation de l'assemblage si la convection naturelle ne s’établit pas. Afin d'éviter cette situation, de nouveaux dessins d’assemblages de combustible de RNR-Na fournissent une rétroaction neutronique globalement négative lorsque le sodium entre en ébullition. Pour étudier comment dans cette situation le sodium se comporte et évolue dans l'assemblage, il est nécessaire de modéliser correctement les transferts de quantité de mouvement, de chaleur et de masse. Les codes systèmes comme CATHARE3 couvrent ces situations mais la modélisation doit être améliorée.
Dans cette thèse, on se propose d’utiliser des simulations 3D locales CFD afin d’obtenir une meilleure compréhension des mécanismes d'ébullition du sodium en assemblage de RNR-Na. De nouveaux modèles CFD, tels que la modélisation des grandes interfaces, l'ébullition à la paroi et l'échange de chaleur et de masse à l'interface, seront utilisés pour accéder aux variables locales. Ces informations détaillées seront ensuite transférées au code système 1D via un remontage d'échelle. Une fois ces informations correctement recueillies et transférées, de nouveaux modèles seront développés et mis en œuvre dans le code système. Enfin, ces nouvelles corrélations seront confrontées aux données expérimentales de la base de validation du code CATHARE3. L'objectif final est d’accroître la confiance dans l'outil de simulation 1D CATHARE3 pour prédire l'ébullition du sodium pendant un transitoire de perte de pompe primaire.
La thèse sera développée au sein du Service d’Etudes des Systèmes Innovants au CEA/IRESNE Cadarache avec d'autres doctorants et stagiaires, dans un environnement dynamique et international. Des déplacements au CEA-Saclay et à EDF-Chatou sont prévus pendant la thèse ainsi que la participation à des conférences internationales.
Etude numérique et expérimentale de la fissuration des combustibles nucléaires oxydes et de la séparation de l’interface oxyde-gaine
Le CEA mène des études et expertises sur les combustibles nucléaires céramiques à base de dioxyde d’uranium (UO2). Des schémas numériques avancés pour la simulation prédictive du comportement de ces combustibles sont développés et s’appuient sur une démarche d’amélioration continue des modèles et des lois relatives aux propriétés physiques des matériaux. Les combustibles nucléaires sont des céramiques poreuses, dont la microstructure dépend de leur procédé de fabrication. Afin de garantir le confinement des produits de fission et le bon refroidissement du combustible, des gaines en alliage métallique sont disposées autour des combustibles.
Au cours de leur utilisation en réacteur, on observe une interaction mécanique entre le combustible et la gaine et potentiellement un accrochage, ce qui favorise le refroidissement du combustible en réduisant la résistance thermique de l’interface. Des fissures peuvent également apparaitre au sein du combustible créant, selon leur orientation, des barrières thermiques ou des chemins d’écoulement privilégiés pour les produits de fission créés lors de l’irradiation. Ces gaz vont ensuite exercer une pression sur les faces intérieures de la gaine ce qui peut, dans certaines conditions, entrainer une séparation/un décollement de l’interface combustible gaine et potentiellement l’apparition d’une lame de gaz entre le combustible et la gaine ce qui aurait un impact à la fois sur la thermique, et sur le comportement des produits de fission volatils.
Le but de cette thèse est donc de développer une démarche de caractérisation et modélisation de l’interface combustible-gaine fondée sur l’expérience, permettant notamment de prédire les conditions pouvant conduire à son décollement. Le travail consistera tout d’abord en la simulation numérique d’essais de décollement d’interface existants, ainsi que de l’effet d’une pression de gaz à l’intérieur du combustible, en présence ou non de fissures au sein du combustible. Il est envisagé de décrire numériquement l’interface par un modèle de zone cohésive, régi par la contrainte maximale, ainsi que par l’énergie dissipée pour la création de fissure. Les simulations permettront de comprendre le rôle des chacun de ces paramètres dans le décollement de la gaine. En fonction de ces résultats, il est envisagé de concevoir de nouveaux essais pour identifier les paramètres des lois de comportement mises en œuvre.
Ce travail sera basé au Département d’Etude des Combustibles de l’Institut IRESNE (CEA-Cadarache) pour les aspects spécifiques au comportement du combustible, et mené en étroite collaboration avec le Laboratoire de Mécanique Paris-Saclay pour l’étude des interfaces. Ainsi la personne travaillant sur ce sujet bénéficiera d’un environnement scientifique riche et stimulant et aura, en outre, la responsabilité de proposer, développer, réaliser et interpréter des expériences sur combustible nucléaire. Les compétences et connaissances acquises par le candidat seront valorisées à travers la rédaction de publications dans des journaux scientifiques internationaux et la présentation de ses travaux dans des conférences internationales.
Modélisation thermo-hydraulique d’un générateur de vapeur et propagation d’espèces chimiques
Les générateurs de vapeur sont des composants essentiels des réacteurs nucléaires dont la fonction principale est l’échange de chaleur. Les espèces chimiques présentes dans les générateurs de vapeur sont à l’origine de nombreux phénomènes parasites (colmatage, encrassement, dépôt de boue…). La simulation numérique du transport des espèces, prenant en compte la migration d’espèces chimiques et les échanges entre espèces, à la fois intra- et inter-phasiques, permettra une meilleure connaissance et une meilleure gestion de ces problèmes. La résolution numérique des systèmes de transport d’espèces présente de réelles difficultés notamment la gestion de l’apparition et de la disparition totale de certaines espèces, de forts taux de vide, ainsi que des temps de calcul rapidement excessifs.
Tout en se basant sur le nouveau code pour les composants nucléaires développé au STMF, la thèse adressera les trois principales problématiques scientifiques suivantes :
• En amont, l’analyse de méthodes numériques permettant en particulier la gestion de l’évanescence, comme mentionné plus haut, et la modélisation thermo-hydraulique à forts taux de vide. On s’appuiera pour cela sur les schémas numériques PolyMAC et PolyVEF, déjà implémentés dans le code composant.
• La modélisation physique d’un générateur de vapeur dans le nouveau code composant, via l’ajout (en C++) des corrélations spécifiques aux générateurs de vapeur, la complétion des lois d’état déjà disponibles, ….
• La détermination des espèces chimiques majeures à transporter, afin de pouvoir prendre en compte à la fois la thermo-hydraulique mais aussi la chimie. Le couplage algorithmique entre la thermo-hydraulique et la chimie, prenant en compte une rétroaction, étant l’objectif à long terme.
Tout en bénéficiant de la parallélisation existante du code composant, la modélisation thermo-hydraulique et chimique se fera en tenant compte des contraintes sur les temps de calcul.