Développement d’une méthode de propagation d’incertitudes de type fonctionnel sur la puissance résiduelle
La puissance résiduelle est l’énergie dégagée par la désintégration des radionucléides présents dans le cœur d’un réacteur à l’arrêt. Une connaissance précise de sa valeur moyenne et de sa plage de variations revêt un aspect important pour le design et la sûreté des systèmes de transport et d’entreposage du combustible. Ces informations ne pouvant être mesurées de manière exhaustive, on utilise des outils de simulation numérique pour estimer la valeur nominale de la puissance résiduelle et quantifier ses variations dues aux incertitudes sur les données nucléaires.
Dans cette thèse, on se propose de quantifier les variations de la puissance résiduelle induite par les données de fonctionnement du réacteur, notamment les historiques de puissance, soit la puissance instantanée des assemblages de combustible lors de leur séjour en cœur. Ce travail revêt un challenge particulier puisque les données d’entrée ici ne sont plus des grandeurs scalaires mais des fonctions dépendant du temps. Pour cela, un modèle de substitution de l’outil de calcul scientifique sera développé afin de réduire le temps de calcul. La modélisation globale du problème sera réalisée dans un cadre bayésien à l’aide d’approches de réduction de modèle associées à des méthodes multifidélité. L’inférence bayésienne permettra in fine de résoudre un problème inverse pour quantifier les incertitudes induites par les historiques de puissance.
Le doctorant intègrera l’équipe du Laboratoire des Projets Nucléaires de l’institut IRESNE du CEA Cadarache. Il développera des compétences en simulation neutronique, science des données et réacteurs nucléaires. Il sera amené à présenter ses travaux périodiquement et les publiera dans des revues à comité de lecture.
Développement d’un système de détection des rayons-X pour l’identification des Noyaux Superlourds.
La synthèse des noyaux superlourds est un objectif majeur de la Physique Nucléaire moderne qui dépend de leur identification en masse et en charge. S3 et SIRIUS permettent de séparer les isotopes superlourds et vont être équipés de détecteurs de rayons-X pour l’indentification en Z. Le ou la Doctorant.e développera des détecteurs de rayons-X pour SIRIUS et les utiliser pour étudier les noyaux superlourds. Elle/Il travaillera au GANIL et dans des laboratoires internationaux comme ANL.
Etude des mécanismes de réaction pour la synthèse d’éléments super-lourds
Cette thèse a pour but d’étudier les mécanismes de réaction menant à la synthèse de noyaux super-lourds en appui au programme de recherche expérimental qui sera développé auprès de l’installation S3 de Spiral2 au GANIL à Caen. Elle vise à renforcer la précision de la modélisation de la réaction en évaluant, grâce à l’analyse d’incertitudes, les expériences les plus prometteuses pour contraindre les paramètres et la modélisation.
L'une des principales activités de la physique nucléaire est l'étude des propriétés des noyaux exotiques jusqu'aux limites d’existence des noyaux, dans les régions où les rapports proton-neutron sont extrêmes (driplines proton/neutron) et aux nombres de masse A et atomiques Z les plus élevés. Les noyaux dits super-lourds ne peuvent exister au-delà de la limite établie par le modèle de la goutte liquide – définie par une barrière de fission qui disparaît –, que grâce aux effets en couches de la mécanique quantique. Ces noyaux sont particulièrement intéressants parce qu'ils se situent à la limite entre la physique des petits systèmes à quelques corps et celle des systèmes à grand nombre de corps : les nombres magiques de protons et de neutrons, Z et N, sont remplacés par une région ou un îlot de magicité étendu en Z et N.
La synthèse de ces noyaux très- et super-lourds par des réactions de fusion-évaporation est un défi expérimental en raison des sections efficaces extrêmement faibles. La modélisation de la réaction complète afin de guider les expériences est également un défi difficile, car les modèles développés pour les noyaux plus légers ne peuvent pas être simplement extrapolés. Les réactions de fusion sont entravées par rapport à ce qui est observé avec les noyaux légers en raison de la très forte interaction Coulombienne, qui est renforcée par la forte répulsion causée par le grand nombre de charges positives (protons) dans le système, en concurrence avec la force d'attraction forte (nucléaire) dans un régime hautement dynamique. Le pouvoir prédictif des modèles doit être amélioré, bien que l'origine du phénomène d'entrave soit qualitativement bien comprise. Les ambiguïtés quantitatives sont suffisamment importantes pour observer des différences de quelques ordres de grandeur dans les probabilités de fusion calculées par différents modèles. Une petite modification de la section efficace pourrait nécessiter de nombreux mois pour réaliser des expériences réussies.
Au GANIL, en collaboration avec d'autres instituts, nous avons développé un modèle qui décrit les trois étapes de la réaction de synthèse des noyaux super-lourds. Les développements futurs se concentreront sur la recherche de moyens d'évaluer les modèles afin d'améliorer leur pouvoir prédictif, notamment en concevant des expériences spécifiques afin de contraindre l’amplitude de l'entrave à la fusion. Bien entendu, une analyse minutieuse de l'incertitude permettra d'améliorer le pouvoir prédictif des modèles. Des méthodes standard ainsi que des méthodes d'analyse de données de pointe telles que l'analyse bayésienne peuvent être utilisées.
Ce travail de doctorat sera effectué en collaboration avec le groupe expérimental du GANIL et une équipe de recherche à Varsovie (Pologne). En fonction des compétences de l'étudiant, la thèse sera plus orientée vers des développements formels ou vers les expériences menées dans la nouvelle installation S3 sur Spiral2. La participation aux expériences est possible.
Etudes expérimentales et théoriques de la génération du moment angulaire nucléaire et de l’énergie d’excitation des fragments de fission
La découverte de la fission en 1939 a profondément modifié notre connaissance de la physique nucléaire. Cette réaction permet de diviser des noyaux lourds comme l'uranium 235, en deux noyaux (fragments) plus légers, tout en libérant une grande quantité d'énergie. Les travaux de recherche sur la fission prennent la forme de modèles nucléaires servant à produire des bases de données nucléaires, qui sont essentiels pour simuler les réacteurs nucléaires. La qualité de ces données est encore insuffisante aujourd’hui, car notre compréhension fine de la fission reste très fragmentaire.
Ce travail de thèse vise à mieux décrire la génération du moment angulaire et l'énergie d'excitation des fragments de fission d’un point de vue expérimental et théorique. Ces recherches permettront à la fois de mieux comprendre le processus sous-jacent et d’améliorer le pouvoir de prédiction des outils de simulations, notamment les modèles utilisés pour calculer les échauffements gamma au sein d’un réacteur. Une partie du travail du doctorant consistera en l’exploitation des données acquises durant une thèse récente. Une autre partie sera la participation à des campagnes expérimentales complémentaires auprès du réacteur nucléaire de l’Institut Laue-Langevin (ILL), à l’aide du spectromètre LOHENGRIN afin de mesurer les rapports isomériques et les distributions en énergie cinétique des fragments de fission.
Le doctorant sera positionné au sein d’un laboratoire de physique nucléaire et de physique des réacteurs. Il développera des compétences en analyse de données, en physique nucléaire ainsi qu’en programmation informatique. Les langages utilisés seront C++ et python. Les débouchés sont la recherche en milieu académique ou industriel, également des postes de Data Scientist.
Test d’invariance de renversement du temps dans la désintégration beta nucléaire : analyse des données de MORA à JYFL
L’expérience MORA recherche des signes de violation de CP dans la désintégration beta d’ions piégés polarisés. Elle emploie des techniques de pointe afin d’atteindre une sensibilité jamais atteinte pour la mesure de la corrélation D (<10-4). Cette corrélation est sensible à une Nouvelle Physique qui pourrait expliquer l’asymétrie matière antimatière observée dans l’univers. La thèse consiste en l’analyse des données de la campagne qui se poursuit à Jyväskylä pour 23Mg+ et 39Ca+, en Finlande.
Simulations multiphysiques avec estimation d’incertitudes appliquées aux réacteurs rapides refroidis au sodium
La modélisation multiphysique est essentielle pour l'analyse des réacteurs nucléaires, mais la propagation des incertitudes entre différents domaines physiques (comme les comportements thermiques, mécaniques et neutroniques) est souvent négligée en raison de sa complexité. Ce projet de thèse vise à relever ce défi en développant des méthodes innovantes pour intégrer la quantification des incertitudes dans les modèles multiphysiques.
L'objectif principal est de proposer des approches de modélisation optimales, adaptées à différents niveaux de précision. Le projet explorera des techniques avancées, telles que la modélisation d'ordre réduit et l'expansion du chaos polynomial, pour identifier et classer les paramètres d'entrée ayant l'impact le plus significatif sur les sorties du système, indépendamment de leur domaine physique. Une comparaison entre des modèles « haute fidélité », développés à l'aide des outils de simulation de référence du CEA, et des modèles « best-estimate » conçus pour un usage industriel sera réalisée. Cette analyse comparative mettra en lumière comment les erreurs se propagent dans les différentes approches de simulation.
Les modèles seront validés à l'aide de données expérimentales de SEFOR, un réacteur rapide refroidi au sodium. Ces expériences fournissent des repères précieux pour tester les modèles multiphysiques dans des conditions réalistes de réacteur. Ce projet répond directement au besoin croissant de l'industrie nucléaire pour des outils de modélisation fiables et efficaces, visant à améliorer la sécurité et la performance des réacteurs.
Le candidat évoluera dans un environnement dynamique au CEA, avec accès à des ressources de simulation avancées et des opportunités de collaboration avec d'autres chercheurs et doctorants. Le projet offre également la possibilité de présenter les résultats lors de conférences nationales et internationales, avec des perspectives de carrière solides dans la conception de réacteurs nucléaires, l'analyse de la sûreté et la simulation avancée.
Développement d’un système dosimétrique pour le suivi des traces alpha dans les essais in vitro de la radiothérapie interne vectorisée alpha
La thérapie alpha ciblée (TAC) est une nouvelle méthode prometteuse pour traiter le cancer. Elle utilise des substances radioactives appelées radioisotopes émetteurs alpha, qui sont injectées dans le corps du patient. Ces substances se dirigent spécifiquement vers les cellules cancéreuses, ce qui permet de concentrer la radiation là où elle est le plus nécessaire, c'est-à-dire près des tumeurs. Les particules alpha sont particulièrement efficaces car elles ont une courte portée et peuvent détruire les cellules cancéreuses de manière très ciblée.
Comme pour tout nouveau traitement, la TAC doit passer par des études précliniques pour vérifier son efficacité et la comparer à d'autres traitements existants. Une partie importante de ces recherches se fait en laboratoire, où des cellules cancéreuses sont exposées à ces substances radioactives pour observer leurs effets, comme le taux de survie des cellules. Cependant, évaluer l'impact des particules alpha nécessite des méthodes spécifiques, car leur comportement es
Etude de la désexcitation radiative du noyau avec une méthode de type Oslo
La capture d’un neutron par un noyau amène à un noyau composé prompt à se désexciter principalement en émettant des gammas si l’énergie d’excitation est inférieure au MeV. Ce processus est appelé capture radiative. Cette réaction, bien connue, dont on sait précisément mesurer la section efficace aux basses énergies pour des noyaux de ou proche de la vallée de stabilité, reste difficilement mesurable pour des noyaux plus exotiques.Les modèles de réactions nucléaires basés essentiellement sur les noyaux stables peinent,eux aussi, à apporter des prédictions fiables de ces sections efficaces sur ces noyaux exotiques. Cependant, ces dernières années,des avancées dans la modélisation et dans les mesures autour de cette réaction a permis d’entrevoir des voies d’améliorations significatives en s’intéressant aux ingrédients plus microscopiques, qui restent accessibles à des mesures plus fines: la fonction de force gamma et la densité de niveaux. En effet, ces ingrédients qui gèrent respectivement la manière dont la cascade gamma se déroule et la structure du noyau à haute énergie d’excitation peuvent être mesurés pour aider ensuite à les calculer plus finement. Ces améliorations ont un impact direct sur la prédiction des sections efficaces pour des noyaux instables que l’on trouve dans la nucléosynthèse stellaire. Le sujet de cette thèse est de mesurer ces ingrédients pour un noyau formé dans la nucléosynthèse en utilisant un nouveau dispositif appelé SFyNCS.
Compréhension et contrôle des régimes de divertor dissipatifs dans les expériences sur le tokamak WEST
Le succès du programme de fusion par confinement magnétique repose sur la maitrise de l’interaction entre le plasma confiné et chaud, où les réactions de fusion prennent place, et le mur de l’enceinte à vide dans lequel ce plasma est maintenu. Actuellement, cette interaction est gérée par un dispositif matériel et magnétique nommé le divertor, qui vise à concentrer les flux perdus du plasma à travers un volume dédié (le volume divertor) vers des composants à hauts flux (composants de surface du divertor). Le contrôle des phénomènes dissipatifs dans ce volume divertor est un objectif critique qui doit permettre de maintenir de hautes performances de confinement dans le cœur (plasma chaud) tout en maintenant les flux sur les composants en-dessous des limites technologiques. Le tokamak WEST, actuellement opéré au CEA Cadarache, a pour objectif principal la maitrise de cette interaction, en appui étroit avec le projet ITER. Le projet de thèse vise à améliorer la compréhension physique des expériences de contrôle débutées sur WEST, à travers une analyse expérimentale avancée, à l’optimisation d’un modèle de contrôle robuste et générique qui pourra être déployé sur WEST pour conduire des scénarios représentatifs des conditions d’ITER. Le projet s’inscrira aussi dans un contexte international très actif sur le sujet, à la fois en Europe (Activités EUROfusion), en Asie et aux Etats-Unis, offrant un grand spectre de visibilité et de possibilités de collaborations et d’évolutions. Les résultats seront publiés dans des revues à comité de relecture avec possiblement de forts facteurs d’impact, et pourront être présentés à des conférences internationales.
Phénomènes de transport dans le plasma compagnon des électrons découplés: impact sur l'amortissement et extraplation à ITER
Les disruptions sont des interruptions brutales des décharges plasmas dans les tokamaks. Elles sont dues à des instabilités menant à la perte de l’énergie thermique et de l’énergie magnétique du plasma sur des laps de temps de l’ordre de quelques dizaines de millisecondes. Les disruptions peuvent générer des faisceaux d’électrons relativistes dits découplés qu’il est important de contrôler ou d’arrêter pour assurer une opération fiable des futurs tokamaks tels qu’ITER. Le sujet proposé se concentre sur l’amortissement des électrons découplés par injection massive de deutérium ou d’hydrogène dans le faisceau. Ce scénario conduit à une diminution drastique de l’énergie déposée sur la paroi par les électrons découplés, à travers deux phénomènes : une instabilité magnétohydrodynamique et l’absence de régénération des électrons découplés dans la perte finale du courant plasma. Ces deux conditions sont obtenues lorsque le plasma créé par l’interaction entre le faisceau d’électrons découplés et le gaz neutre reste suffisamment froid pour recombiner en grande partie. Le mécanisme de recombinaison fait appel à des processus de transport de l’énergie par les neutres et à une diminution de l’interaction entre les électrons découplés et le plasma de fond. Il montre les limites sur les tokamaks actuels, qui doivent être comprises pour pouvoir extrapoler aux futurs tokamaks. Il est donc proposé pour ce sujet de thèse de commencer par mieux caractériser expérimentalement le plasma froid : profils de densité, concentration en deutérium/hydrogène ou impuretés lourdes, profil de courant. On s’intéressera plus particulièrement aux quantités en rapport avec les phénomènes de transport dans le plasma : conduction de la chaleur, diffusion de la matière ou transport du rayonnement. Cette caractérisation expérimentale fera rapidement appel à de la modélisation numérique afin de confirmer le rôle des différents mécanismes de transport dans le maintien des conditions nécessaires à la dissipation du faisceau sans dommages. Une extrapolation vers ITER sera ensuite envisagée via les simulations.