Méthode primale-duale proximale pour l’estimation conjointe de l’objet et des paramètres d’acquisition inconnus en tomographie.
Dans le cadre de l’utilisation durable et sûre de l’énergie nucléaire au service de la transition énergétique décarbonée, le réacteur de recherche Jules Horowitz, en cours de construction sur le site du CEA Cadarache, est un outil-clé pour l’étude du comportement des matériaux sous irradiation. Une ligne d'imagerie tomographique est prévue en accompagnement des dispositifs expérimentaux afin d'obtenir l'image de la dégradation des échantillons en temps réel. Cette ligne présente des caractéristiques extraordinaires de par sa géométrie et la dimension des objets à caractériser. En conséquence, certains paramètres d'acquisition, indispensables pour la bonne reconstruction de l'image, ne sont pas connus avec précision. Ainsi, l'image finale peut se retrouver fortement dégradée.
L'objectif de cette thèse est de proposer des méthodes permettant l'estimation conjointe de l'objet caractérisé ainsi que des paramètres d'acquisition inconnus. Ces méthodes s'appuieront notamment sur les outils de l'optimisation convexe moderne. Cette thèse explorera également des méthodes de machine learning afin d'automatiser et d'optimiser le choix des hyperparamètres du problème.
La thèse sera réalisée en collaboration entre l'Institut de Mathématiques de Marseille (I2M CNRS UMR 7373, Aix-Marseille Université, site Saint Charles) et le laboratoire de Mesures Nucléaires de l’institut IRESNE du CEA (site de Cadarache, Saint Paul les Durance). Le ou la doctorant(e) évoluera dans un environnement de recherche stimulant en lien avec des problématiques stratégiques liées au contrôle non destructif. Il ou elle pourra également valoriser ses travaux de recherche en France comme à l'étranger.
Modélisation du flux critique à l’aide des méthodes de Boltzmann sur réseau : application aux dispositifs expérimentaux du RJH
Les méthodes LBM (Lattice Boltzmann Methods) sont des techniques numériques utilisées pour simuler des phénomènes de transport dans des systèmes complexes. Elles permettent de modéliser le comportement des fluides en termes de particules qui se déplacent sur une grille discrète (un "réseau" ou lattice). Contrairement aux méthodes classiques, qui résolvent directement les équations différentielles des fluides, les méthodes LBM simulent l'évolution des fonctions de distribution des particules de fluide dans un espace discret, en utilisant des règles de propagation et de collision.
Le choix du réseau dans les méthodes LBM est une étape cruciale, car il affecte directement la précision, l'efficacité et la stabilité des simulations. Le réseau détermine la manière dont les particules de fluide interagiront et se déplaceront dans l'espace, ainsi que la façon dont la discrétisation de l'espace et du temps est effectuée.
Les méthodes LBM présentent un parallélisme naturel, car les calculs à chaque point de la grille sont relativement indépendants. Les méthodes LBM par rapport aux méthodes CFD classiques permettent de mieux capturer certains phénomènes complexes (comme les écoulements multiphasiques, turbulents ou en milieux poreux) car elles reposent sur une modélisation mésoscopique du fluide, directement dérivée de la cinétique des particules, plutôt que sur une résolution macroscopique des équations de Navier–Stokes. Cette approche permet une représentation plus fine des interfaces, des effets non linéaires et des interactions locales, souvent difficiles à modéliser correctement avec les méthodes CFD classiques. Les méthodes LBM permettent donc, à moindre coût, de capturer des phénomènes complexes. Des travaux récents ont notamment montré qu'il était possible, avec les LBM, de retrouver la courbe de refroidissement de Nukiyama (ébullition en vase) et, ainsi, de calculer avec précision le flux critique. Ce flux correspond à une ébullition en masse, appelée crise d’ébullition, qui se traduit par une dégradation soudaine du transfert thermique.
Le flux critique représente un enjeu crucial pour les dispositifs expérimentaux (DEX) du Réacteur Jules Horowitz, car ils sont refroidis par de l'eau en convection naturelle (dispositifs de type fuel capsule) ou forcée (dispositifs de type boucle). Ainsi, afin de garantir le bon refroidissement des DEX et la sûreté du réacteur, il convient de s'assurer que, sur la gamme de paramètres étudiés, le flux critique ne soit pas atteint. Il doit donc être déterminé avec précision. Les études précédentes menées sur un DEX de type fuel-capsule à l’aide du code NEPTUNE-CFD (méthodes CFD classique) ont montré que la modélisation est limitée à une région située loin du flux critique. De façon générale, les écoulements à fort taux de vide (supérieurs à 10%) ne peuvent être résolues aisément par les approches classiques de la CFD.
L'étudiant sera amené, dans un premier temps, à définir un réseau pour appliquer les méthodes LBM sur un dispositif du RJH en convection naturelle. Il consolidera les résultats sur le flux critique obtenus sur cette configuration en les comparant aux données disponibles. Enfin, des calculs exploratoires en convection forcée (régime laminaire à turbulent) seront menés.
L’étudiant sera accueilli au sein de l’institut IRESNE.
Tomographie électrique pour l’étude des écoulements diphasiques métal liquide/gaz
Dans le cadre de l'utilisation durable de l'énergie nucléaire dans le cadre d'un mix énergétique décarboné en association avec les énergies renouvelables, les réacteurs de IVe génération à neutrons rapides sont cruciaux pour la fermeture du cycle du combustible et la maîtrise de la ressource en uranium. La maîtrise de la sûreté d'un tel réacteur à caloporteur sodium repose notamment sur la détection précoce de vides gazeux dans les circuits. Dans ces milieux opaques et métalliques, les méthodes d’imagerie optiques sont inopérantes, d’où la nécessité de développer des techniques innovantes.
Cette thèse s'inscrit dans le développement de la tomographie d'impédance électrique (EIT) appliquée aux métaux liquides, une approche non intrusive permettant d'imager la distribution de conductivité dans un écoulement.
Les travaux porteront sur l’étude des phénomènes électromagnétiques dans les milieux diphasiques métal/gaz, en particulier l’effet de peau et les courants de Foucault produits par des champs oscillants.
Des approches d’intelligence artificielle, notamment les Physics-Informed Neural Networks (PINNs), seront explorées pour combiner apprentissage numérique et contraintes physiques et seront comparées à l’utilisation de simulations numériques.
L’objectif est d’établir des modèles physiques adaptés au contexte métallique et de concevoir des méthodes d’inversion robustes vis-à-vis des bruits de mesure.
Des essais sur galinstan permettront de valider les modèles et de démontrer la faisabilité de la détection d’inclusions gazeuses dans un métal liquide.
Ce travail conduit à l'institut IRESNE du CEA Cadarache,ouvrira de nouvelles perspectives d’imagerie électromagnétique pour les milieux opaques fortement conducteurs.
Vers une nouvelle approche itérative pour la modélisation efficace du contact mécanique
Dans le cadre de la modélisation et de la simulation du comportement des combustibles nucléaires des différentes filières de réacteurs, l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE) du CEA Cadarache, en partenariat avec différents acteurs industriels et académiques,développe la plateforme logicielle de simulation du comportement des combustibles PLEIADES. Dans ce contexte, l’interaction entre le combustible et sa gaine, 1ère barrière de confinement, est un phénomène indispensable pour la compréhension et la prédiction du comportement des éléments combustibles.
La modélisation et la simulation numérique des phénomènes de contact mécanique constituent un enjeu scientifique et technologique majeur en mécanique des solides, en raison de la complexité intrinsèque du problème, liée à son caractère fortement non linéaire et non régulier.
Pour pallier les limites des approches classiques, telles que la pénalisation ou les multiplicateurs de Lagrange, de nouvelles stratégies de résolution du contact, reposant sur des schémas itératifs de type point fixe, sont actuellement à l’étude au CEA. Ces approches présentent plusieurs atouts : elles évitent la résolution directe de systèmes complexes et mal conditionnés, améliorent significativement l’efficacité numérique, et offrent une très faible sensibilité aux paramètres algorithmiques, ce qui les rend particulièrement adaptées aux environnements de calcul haute performance (HPC).
L’objectif de la thèse est d’étendre ces stratégies à des situations plus complexes et représentatives, en prenant en compte des comportements matériaux non linéaires et en intégrant des lois de contact plus élaborées, telles que le frottement. Selon l’avancement des travaux, la dernière phase portera sur la transposition des développements dans un environnement de calcul haute performance (HPC), en s’appuyant sur un solveur éléments finis parallèle.
Le projet bénéficiera d’une expertise reconnue à l’international en mécanique, en mathématiques appliquées, et en simulation des combustibles nucléaires avec des encadrants au sein du CEA mais également des collaborations académiques externes (CNRS).
[1] P. Wriggers, "Computational Contact Mechanics", Springer, 2006. doi:10.1007/978-3-540-32609-0.
[2] V. Yastrebov, "Numerical Methods in Contact Mechanics", ISTE Ltd and John Wiley & Sons, 2013. doi: 10.1002/9781118647974
[3] I. Ramière and T. Helfer, “Iterative residual-based vector methods to accelerate fixed point iterations”, Computers & Mathematics with Applications, vol. 70, no. 9, pp. 2210–2226, 2015. doi: 10.1016/j.camwa.2015.08.025.
Modélisation multi-physique d’un réacteur nucléaire à eau légère fonctionnant en convection naturelle : étude de solutions innovantes pour le démarrage et le contrôle en puissance
Plusieurs concepts récents de Small Modular Reactors (SMR) à spectre thermique reposent sur une circulation de l’eau en convection naturelle dans le circuit primaire, en fonctionnement normal et accidentel, pour augmenter la sûreté intrinsèque. L’absence de pompes primaires dans ce genre de SMR complique singulièrement les phases de démarrage et de montée en puissance, ce qui conduit à développer des procédures spécifiques de démarrage pour chauffer l’eau du circuit primaire et permettre au réacteur d’atteindre son état nominal de fonctionnement dans le respect des exigences de sûreté. L’établissement de telles procédures nécessite des simulations au moyen de modèles validés afin de bien comprendre le comportement du réacteur dans ces phases et de délimiter le domaine paramétrique accessible.
L’enjeu de la thèse est de développer un modèle numérique capable de simuler le démarrage et la montée en puissance d’un SMR fonctionnant en convection naturelle et de fournir des éléments de validation du modèle. Le travail de thèse vise aussi à proposer une méthodologie d’optimisation des systèmes de pilotage du réacteur pour permettre un démarrage rapide dans le respect des critères de sûreté.
La problématique du démarrage fait intervenir deux disciplines : la neutronique et la thermohydraulique, ce qui demande la mise en œuvre d’une modélisation multi-physique couplée. En particulier, trois outils de calculs seront couplés lors de la thèse : CATHARE3 (thermohydraulique système), FLICA5 (thermohydraulique cœur), et APOLLO3 (neutronique).
Le doctorant sera positionné au sein d’équipes de neutroniciens et thermohydrauliciens de l'institut IRESNE (CEA Cadarache). Il développera des compétences en physique et modélisation des réacteurs nucléaires.
Simulation de l’amorçage et de la propagation de la fissuration dans des matériaux hétérogènes aléatoires
Ce sujet de thèse s’intéresse à la fissuration des combustibles nucléaires à l’échelle de la microstructure, phénomène essentiel à comprendre pour modéliser le comportement des matériaux sous irradiation. En effet, l’amorçage et la propagation de fissures peuvent entraîner le relâchement de gaz de fission et la formation de fragments susceptibles de déplacer la matière fissile. Les modèles industriels actuels reposent sur des représentations simplifiées de la microstructure poreuse, et des critères de rupture empiriques, ce qui limite leur précision physique et leur validation par effets séparés.
Pour dépasser ces limites, le travail de thèse proposé consiste à s’appuyer sur des approches multi-échelles et des simulations par éléments finis en calcul parallèle haute performance (HPC). Les objectifs principaux sont d’arriver à définir un Volume Élémentaire Représentatif (VER) pour l’amorçage de la fissuration dans des matériaux à porosité aléatoire, améliorer les critères de rupture utilisables dans les codes de calculs et définir leurs incertitudes, et enfin établir le domaine de validité pour l’analyse de la propagation dans le VER.
Le premier axe de recherche consiste à définir rigoureusement la taille du VER à partir de grandeurs locales comme la contrainte principale maximale. Des méthodes de réduction de variance seront utilisées pour optimiser le nombre de calculs nécessaires et estimer les erreurs associées.
Dans un second temps, les simulations réalisées pour déterminer le VER serviront à améliorer les modèles opérationnels. L’approche cherchera à séparer l’effet mécanique d’une bulle isolée de celui des interactions entre bulles voisines. Des techniques de Machine Learning pourront être utilisées pour développer ce nouveau modèle. La validation s’appuiera sur des mesures indirectes de la fissuration, comme le relâchement gazeux observé lors de recuits thermiques, notamment pour des combustibles à haut taux de combustion (HBS), où les modèles classiques échouent à prédire la cinétique de fissuration.
Enfin, la propagation des fissures à l’intérieur du VER sera étudiée par des simulations 3D de type champ de phase, permettant de représenter finement les différentes étapes de propagation post-amorçage. L’influence des conditions aux limites du VER sera examinée par comparaison à des simulations sur des domaines plus larges.
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 numérique PLEIADES, spécialiste de la simulation du comportement du combustible et des méthodes numériques multi-échelles. Elle sera réalisée en collaboration avec le CNRS/LMA dans le cadre du laboratoire commun MISTRAL, notamment sur les aspects analyse de la représentativité du milieu aléatoire et simulation micromécanique de la propagation des fissures.
Simulation numérique des interactions fluide-structure avec contact sous écoulement via une méthode Penalized Direct Forcing
Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre de l’étude de la dynamique des assemblages combustibles soumis à un écoulement axial et à une excitation mécanique externe, notamment de type sismique. L’objectif est de développer une approche numérique innovante permettant de prédire avec précision la réponse dynamique d’un ou plusieurs assemblages en trois dimensions, en tenant compte des effets couplés entre l’écoulement du fluide et les sollicitations mécaniques. Ce problème est particulièrement complexe en raison de la nécessité de prendre en compte des déplacements importants, des contacts éventuels entre structures et des interactions fortes avec le fluide environnant.
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 !
Optimisation topologique des performances optiques de µLED
Les performances des micro-LEDs (µLEDs) sont fondamentales pour les micro-écrans, un domaine d’excellence du laboratoire LITE au CEA-LETI. Cependant, simuler ces composants est complexe et coûteux en calculs, en raison de la nature incohérente des sources lumineuses et des géométries impliquées. Cela limite la possibilité d’explorer efficacement des espaces de conception multi-paramètres.
Cette thèse propose de développer une méthode innovante basée sur les éléments finis pour accélérer les simulations tout en rendant possible l’utilisation de l’optimisation topologique sur ces sources incohérentes. L’objectif est de produire des designs non intuitifs maximisant les performances tout en respectant les contraintes industrielles.
Le travail se divise en trois phases :
- Développer une méthode de simulation rapide et fiable, en intégrant des approximations physiques adaptées aux sources incohérentes et en réduisant les temps de calcul d’un facteur significatif.
- Concevoir un cadre d’optimisation topologique robuste, intégrant des contraintes de fabricabilité, pour générer des designs immédiatement réalisables.
- Réaliser un prototype à base de "composants sur étagère" du laboratoire qui consiste en une gravure de motifs complexes sur une couche de diélectrique au dessus d'une µLED. Cette partie est sujette à l'intégration de la thèse dans les projets axés "Métasurfaces" du laboratoire afin de profiter d'un financement type IPCEI ou projet européen. Cette partie est optionnelle dans le projet de thèse, à moduler selon opportunités de financement d'un tel prototype.
Les résultats attendus incluent des designs optimisés pour micro-écrans offrant des performances accrues et une méthodologie généralisable à d'autres dispositifs photoniques. Les efforts consentis à développer une telle méthodologie pourront bénéficier à d'autres laboratoires du DOPT, travaillant eux aussi sur les métasurfaces.
Modélisation et caractérisation des transistors CFET pour l’amélioration des performances électriques
Les transistors CFET (Complementary Field Effect Transistors) représentent une nouvelle génération de dispositifs CMOS empilés verticalement, offrant un fort potentiel pour poursuivre la miniaturisation des circuits intégrés et répondre aux exigences du calcul haute performance.
L’objectif de cette thèse est d’étudier et d’optimiser la mise en contrainte du canal de conduction afin d’accroître la mobilité des porteurs et d’améliorer les performances électriques des CFET. Le travail portera à la fois sur la modélisation numérique des procédés technologiques, réalisée par éléments finis, et sur la caractérisation expérimentale des déformations cristallines à l’aide de la microscopie électronique en transmission couplée à la diffraction électronique précessionnée (TEM-PED).
La partie modélisation visera à prédire les distributions de contraintes et leur impact sur les propriétés électriques, en intégrant la complexité des empilements technologiques et des étapes critiques du procédé, telles que l’épitaxie. En parallèle, la caractérisation par TEM-PED permettra de mesurer les champs de déformation et de confronter les simulations aux observations expérimentales.
L’ensemble du travail consistera à développer des outils de modélisation et des méthodologies de caractérisation adaptés à ces structures avancées, afin d’améliorer la précision spatiale, la reproductibilité et la compréhension des mécanismes de contrainte au cœur des transistors CFET.