Circulateurs cryogéniques à cryosorption à très basses températures : de la preuve de concept à la mise en œuvre
Le DSBT et particulièrement le laboratoire de cryocoolers et cryogénie spatiale est particulièrement impliqué dans la conception de composants cryogéniques de pointes fonctionnant à la température de l’hélium liquide. Il a notamment une grande expérience de la réfrigération par adsorption en fabricant des refroidisseurs à adsorption à 300 mK utilisé sur le satellite Herschel et sur des télescopes de pointe en Antarctique. Il a également une expérience importante en refroidissement magnétique et dans le refroidissement par dilution, permettant d’atteindre des températures sous les 100 mK. A ces températures, l’utilisation de pompe cryogénique, notamment pour la dilution est une technologie clef. L’utilisation d’adsorption a déjà été considérée par d’autres équipes et nous proposons d’étudier une mise en œuvre originale de cette technologie qui permettrait d’obtenir des variations de débits et pressions compatible avec les besoins à cette température.
Le travail de thèse proposé comportera une grande part expérimentale, avec la maîtrise des techniques cryogéniques à très basses températures, inférieure à la température de l’hélium liquide. Les aspects de mesures seront importants, débits, températures et pression. Le couplage avec des modèles physiques des phénomènes observés permettra de s’approprier le sujet, de proposer des configurations réalistes et de valider les résultats expérimentaux.
On attend du candidat qu’il acquiert la maîtrise des techniques cryogéniques et qu’il fasse preuve de créativité et de prise d’initiative pour s’approprier le sujet et être moteur dans son orientation.
Accélération de simulations thermo-mécaniques par Réseaux de Neurones --- Applications à la fabrication additive et la mise en forme des métaux
Dans un certain nombre d'industries telle que la mise en forme des métaux ou la fabrication additive, l'écart entre la forme désirée et la forme effectivement obtenue est important, ce qui freine le développement de ces méthodes de fabrication. Cela est dû en bonne partie à la complexité des processus thermiques et mécaniques en jeu, difficiles à simuler à des fins d’optimisation du fait du temps de calcul important de la simulation des phénomènes en jeu.
La thèse vise à réduire significativement cet écart grâce à l'accélération des simulations thermo-mécaniques par éléments finis, notamment via le design d'une architecture de réseau de neurones adaptée, en s'appuyant sur les connaissances physiques théoriques.
Pour mener à bien ce sujet, la thèse bénéficiera d'un écosystème favorable aussi bien au LMS de l'École polytechnique qu'au CEA List : architecture PlastiNN développée en interne (brevet en cours de dépôt), bases de données mécanique existantes, supercalculateur FactoryIA et DGX, machine d'impression 3D. Il s'agira dans un premier temps de générer des bases de données à partir de simulations éléments finis thermo-mécaniques, puis d'adapter PlastiNN à apprendre de telles simulations, avant de mettre en œuvre des procédures d'optimisation s'appuyant sur ces réseaux de neurones.
L'objectif final de la thèse est d'illustrer l'accélération de simulations éléments finis ainsi obtenue sur des cas réels : d'une part par l'instauration d'une rétroaction durant l'impression métallique via la mesure du champ de température pour réduire l'écart entre géométrie désirée et géométrie fabriquée, d'autre part par la mise en place d'un outil de commande de forge qui permet d'arriver à une géométrie désirée à partir d'une géométrie initiale. Les deux applications s'appuieront sur une procédure d'optimisation rendue réalisable par l'accélération des simulations thermo-mécaniques.
Modélisation et Validation expérimentale d’un réacteur catalytique et optimisation du procédé pour la production de e-Biocarburants
Les procédés « Biomass-to-liquid » visant une gazéification de biomasse en syngaz (mélange mélange CO+CO2+H2) puis une transformation de ce syngaz par une synthèse Fischer-Tropsch visant la production de différents carburants (kérosène, diesel, gasoil marin) connaissent un essor ces 20 dernières années. Plusieurs démonstrateurs ont été développés, notamment en Europe. Cependant, le trop faible ratio H/C du syngaz résultant de la gazéification nécessite une recirculation voire le rejet du CO2 en sortie du procédé ce qui complexifie les séparations et a un impact négatif sur la valorisation du carbone biosourcé.
Récemment, la possibilité d’effectuer, au sein d’un même réacteur catalytique, la réaction de Reverse Water Gas Shift (RWGS) et la réaction de Fischer-Tropsch (FT) à l’aide de catalyseurs à base de fer et de différents promoteurs a été démontrée (Riedel, 1999) et reproduite dans le cadre de plusieurs thèses CEA/CP2M (Panzone, 2019 ). Elle ouvre de nouveaux potentiels pour valoriser au mieux l’ensemble du contenu carboné de la biomasse à condition de compléter le syngaz par un apport d’hydrogène issu d’électricité renouvelable.
L’objectif de la thèse se concentre sur l’hydrogénation directe d’un mélange CO/CO2 en hydrocarbures qui consiste à enchainer au sein du même réacteur les reactions de RWGS et la synthèse Fischer-Tropsch . Il s’agit de modéliser cette synthèse catalytique dans un réacteur à lit fixe dans des conditions représentatives d’un procédé industriel de PBtL afin d’en optimizer le fonctionnement.
Etude et simulation des entraînements de phase dans les batteries de mélangeurs-décanteurs
Dans le cadre du développement de nouveaux procédés de séparation par extraction liquide-liquide, des essais expérimentaux sont mis en œuvre afin de démontrer la récupération des éléments valorisables suffisamment décontaminés des impuretés. Ces essais sont couramment réalisés en batteries de mélangeurs décanteurs. Cependant, en fonction des conditions opératoires, ces produits finis peuvent être contaminés par des impuretés. Cette contamination résulte de la combinaison de plusieurs facteurs :
-Hydrodynamique : Entrainement dans le solvant de gouttes aqueuses non décantées contenant des impuretés
-Chimique : le facteur de séparation des impuretés est faible (inférieur à 10-3)
-Procédé : l’entrainement des gouttes est amplifié avec l’augmentation de la cadence (réduction du temps de séjour des gouttes)
Cette thèse a pour but d’accroitre la compréhension des différents phénomènes responsables de ces entraînements de phase afin d’estimer des paramètres opératoires optimaux et de garantir une contamination des produits finis inférieure à un seuil fixé.
Il sera question de mettre au point un modèle macroscopique permettant de prédire le débit d’entrainement de gouttes non décantées en fonction des conditions opératoires dans les batteries de mélangeurs décanteurs. Il devra s’appuyer sur des simulations hydrodynamiques couplant la résolution d’un bilan de population de gouttes à un écoulement de phase continue. Un couplage sera réalisé entre ce modèle hydrodynamique et le code PAREX ou PAREX+ permettant de dimensionner les schémas de procédé.
La qualification des modèles proposés devra être faite par des comparaisons à des mesures expérimentales (basées sur des compagnes d’essai antérieures ou à venir).
Développement d’un jumeau numérique d’un équipement industriel : couplage chimie / thermo-hydraulique / corrosion
Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre de la R&D CEA visant à développer et améliorer les technologies décarbonées pour la production d’énergie, en réponse aux enjeux climatiques. Plus précisément, il s’intègre dans l’étape de traitement-recyclage du combustible utilisé dans les réacteurs nucléaires actuels. La simulation du fonctionnement et du vieillissement de ces équipements est un enjeu majeur pour la pérennisation des activités des usines de traitement-recyclage.
L’objectif de la thèse est de répondre à ces enjeux, en développant une modélisation de la corrosion d’un équipement ou plusieurs équipements des usines en se basant sur leur fonctionnement. Cela nécessitera de coupler des modèles de réactions chimiques (en solution et de corrosion) avec des modèles de thermo-hydraulique. Ces développements seront réalisés à l’aide d’outils de modélisation développés par le CEA.
En permettant de simuler la corrosion de l’équipement, le développement d’un tel modèle permettra d’optimiser sa durée de vie (en cherchant à optimiser son fonctionnement, par exemple) ou d’estimer avec précision (et donc d’anticiper) le moment nécessaire à son remplacement.
Rupture fragile d’aciers faiblement alliés : sensibilité des zones mésoségrégées aux conditions de trempe et revenu
Les enceintes sous pression du circuit primaire des centrales nucléaires françaises sont élaborées par assemblage de composants en aciers faiblement alliés, mis en forme à partir de lingots de fort tonnage (> 100t) dont la solidification s’opère de manière non-uniforme. La forte épaisseur des pièces conduit par ailleurs à ce que les évolutions de température lors des traitements thermiques post-forgeage varient significativement en fonction de la position dans l’épaisseur de la pièce. Ces deux effets concourent à produire des microstructures hétérogènes qui peuvent fragiliser sensiblement le matériau.
L’objectif scientifique de cette thèse est d’évaluer quels éléments au sein de la microstructure sont responsable, et dans quelle proportion, d’une fragilisation accrue du matériau pour certaines conditions défavorables de traitements thermiques. Inversement, mieux cerner le domaine de conditions de traitements thermiques pour lequel cette fragilisation du matériau reste contenue, pour une microstructure initiale donnée, est un objectif à fort enjeu industriel.
Plusieurs traitements thermiques ont déjà été appliqués à des coupons issus d’une pièce industrielle rebutée avant de les solliciter en flexion par choc, dans le domaine de la transition ductile fragile du matériau. Des essais mécaniques instrumentés seront menés ainsi que des analyses fractographiques et microstructurales de pointe afin d’identifier l’évolution de la nature des sites d’amorçage en fonction des conditions de traitement thermique. Ces éléments seront alors intégrés dans un modèle d’approche locale de la rupture développé spécifiquement pour rendre compte des effets de variations microstructurales sur la résistance à la rupture fragile des aciers faiblement alliés.
Flottation pour le recyclage de matières actives de batteries Li-ion : limitations et influence de l’hydrodynamique et de la physico-chimie interfaciale sur leur séparation sélective
Le recyclage des batteries est aujourd’hui un enjeu majeur pour l’UE, à la fois géopolitique, économique et environnemental. Très peu valorisé, le graphite, constituant l’anode des batteries Li-ion est concentré dans une fraction appelée blackmass où il est présent en mélange avec des oxydes métalliques à forte valeur commerciale. Ce graphite est alors considéré comme une impureté et cause le surdimensionnement des opérations hydrométallurgiques. Etant considéré comme critique et afin de réduire les coûts opératoires et d’investissement des procédés hydrométallurgiques, il est proposé de réaliser une étape de prétraitement de la blackmass afin de valoriser en voie directe le graphite. Cette étape est réalisée par flottation. Ce procédé de séparation de solides suspendus dans l’eau fait intervenir une troisième gazeuse sous forme de bulles d’air afin de séparer les particules suivant leur différence de mouillabilité et d’attachement aux bulles d’air. La complexité du processus de flottation, liée à la dépendance à la fois aux natures des interfaces et aux conditions hydrodynamiques, nécessite la réalisation de travaux de compréhension approfondie des mécanismes mis en jeux.
L’objectif du sujet proposé, qui fait suite à deux projets internes, est, en s’appuyant notamment sur des méthodes de caractérisation des interfaces, de stabilité, rhéologie des mousses, d’imagerie etc. d’identifier les mécanismes mis en jeu durant la flottation. Ceci dans l’optique d’améliorer les performances de l’étape de flottation et de pouvoir l’étendre à d’autres problématiques.
Les travaux de thèse s’effectueront au Laboratoire des technologies de Valorisation des procédés et des Matériaux pour les ENR (LVME) au CEA de Grenoble et en collaboration étroite avec les Laboratoire de Caractérisations Avancées pour l’Energie (LCAE) au CEA Grenoble, le Laboratoire des Procédés Supercritiques et décontamination (LPSD) ainsi que le Laboratoire de développement des procédés de recyclage et valorisation pour les systèmes énergétiques décarbonnés (LRVE) du CEA de Marcoule (30). En parallèle du travail expérimental, des modèles et mécanismes mis en jeu et les solutions techniques associées devront être proposés.
L’intérêt scientifique et industriel du sujet garantit une valorisation des travaux lors de communications internationales. Après le doctorat, à la fois l’intégration parmi les meilleures équipes de recherches académiques ou appliquées ou une carrière R&D directement dans le monde de l’industrie seront possibles.
Simulation numérique de l’impact entre structures immergées dans un liquide compressible par des approches de type frontières immergées.
De nombreux systèmes industriels mettent en jeu des structures immergées dans des fluides denses. On peut ainsi mentionner l’industrie sous-marine ou, plus particulièrement, le cas de certains réacteurs nucléaires de 4ème génération utilisant des caloporteurs comme le sodium ou des mélanges de sels. L’effet de l’interaction du fluide environnant sur les forces de contact entre les structures est un phénomène de première importance, notamment lors de scenarios transitoires accidentels pouvant générer de grands déplacements des structures dont l’intégrité résiduelle doit être démontrée à des fins de sûreté.
Dans le cadre de cette thèse, on s’intéresse, en particulier, à la modélisation de l’impact rapide d’un fragment de structure immergé dans un fluide contre une paroi, résultant par exemple d’un phénomène explosif dans une cuve de réacteur nucléaire refroidi au sodium. Dans ce contexte, le sodium modélisé comme un fluide compressible est traité numériquement par une approche de type volumes-finis. Les structures internes du réacteur sont traitées par une approche de type éléments-finis. Afin de permettre le traitement des grands déplacements de structure et une éventuelle fracturation de celle-ci, on se tourne vers des techniques de type « frontières immergées » pour l’interaction entre le fluide et la structure.
Les travaux de thèse consistent à venir définir une méthode numérique innovante permettant de mieux simuler le film fluide entre deux structures qui rentrent en contact dans ce contexte. Dans un premier temps, on s’attachera à identifier les caractéristiques physiques de l’écoulement au niveau du film fluide (compressibilité, viscosité, …) ayant le plus d’influence sur la cinématique des structures. Ensuite, le principal enjeu de ces travaux de thèse consistera à faire évoluer les méthodes numériques en vigueur afin de venir représenter le plus fidèlement possible les caractéristiques de l’écoulement du film fluide.
La thèse proposée se déroulera au CEA de Saclay, en collaboration étroite avec le laboratoire EM2C de l’école CentraleSupélec, dans l’environnement de l’Université Paris-Saclay. Le doctorant sera ainsi immergé dans une équipe à l’expertise reconnue dans le domaine des simulations transitoires en interaction fluide-structure.
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.