Near-threshold phenomena in nuclear structure and reactions
Il est proposé d'étudier les effets saillants du couplage entre les états discrets et continus à proximité de divers seuils d'émission de particules en utilisant le modèle en couches dans le plan d'énergie complexe. Ce modèle fournit la formulation unitaire d'un modèle en couches standard dans le cadre du système quantique ouvert pour la description d'états nucléaires bien liés, faiblement liés et non liés. Des études récentes ont démontré l'importance de l'énergie de corrélation résiduelle du couplage aux états du continuum pour la compréhension des états propres, leur énergie et modes de désintégration, au voisinage du canaux de reaction. Cette énergie résiduelle n'a pas encore été étudiée en details. Les études de cette thèse approfondiront notre compréhension des effets structurels induits par le couplage au continuum et apporteront un support aux études expérimentales au GANIL et ailleurs.
Dynamique de fracture dans des technologies de transfert de couches cristallines
Le Smart Cut™ est une technologie découverte au CEA et désormais utilisée industriellement pour la fabrication de substrats avancés pour l'électronique. Cependant, les phénomènes physiques mis en jeu dans sa mise en œuvre font encore l'objet de nombreuses études au CEA. Dans le Smart Cut™, une fine couche de matériau est transférée d'une plaquette à l'autre en utilisant une étape clé de recuit de fracture durant laquelle une fracture macroscopique s'initie et se propage à plusieurs km/s [i].
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L'amélioration de la technologie nécessite une solide compréhension des phénomènes physiques impliqués dans l'étape de fracture. L'objectif de ce projet de doctorat est donc d'étudier les mécanismes impliqués dans l'initiation et la propagation des fractures, ainsi que les vibrations post-fracture.
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Sur le site du CEA-Grenoble, avec un intérêt industriel, l'étudiant utilisera et développera les dispositifs expérimentaux existants pour étudier le comportement de la fracture dans les matériaux fragiles, y compris les réflexions laser optiques [iv], l'imagerie synchrotron diffractante résolue dans le temps [iii], et l'imagerie directe ultra-rapide [ii].
En outre, des algorithmes d'analyse de données basés sur python seront développés pour extraire des informations quantitatives des différents ensembles de données. Cela permettra à l'étudiant de déterminer les mécanismes impliqués et d'évaluer l'influence des paramètres de traitement des plaquettes sur le comportement de la fracture, et donc de proposer des méthodes d'amélioration.
Références :
[i] https://pubs.aip.org/aip/apl/article/107/9/092102/594044
[ii] https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.15.024068
[ii] https://journals.iucr.org/j/issues/2022/04/00/vb5040/index.html
[iv] https://pubs.aip.org/aip/jap/article/129/18/185103/158396
Leçons conceptuelles de la causalité indéterminée
Récemment, il a été reconnu que les structures causales en mécanique quantique permettent de concevoir une nouvelle ressource non classique, connue sous le nom de causalité indéterminée, qui ouvre de nouvelles perspectives en information quantique. Malgré des avancées théoriques significatives et quelques réalisations expérimentales, les implications conceptuelles de la causalité indéterminée restent mal comprises. Dans le même temps, la causalité quantique est devenu un élément fondamental du formalisme mathématique afin d’élucider les divergences entre les approches opérationnelles et spatiotemporelles en physique. Elle a déjà facilité une compréhension améliorée de concepts fondamentaux tels que les événements (Vilasini et Renner, Phys. Rev. Lett. 133, 080201), les faits (Brukner, Nature Phys. 16, 1172–1174, 2020), les entrées/sorties (Chiribella et Liu, Comm. Phys. 5, 190, 2022), les systèmes (Grinbaum, Stud. Hist. Phil. Mod. Phys. 58, 22-30, 2017) et le calcul (Araujo et al., Phys. Rev. A 96, 052315, 2017).
Dans cette thèse, le candidat développera une compréhension systématique des leçons conceptuelles de la causalité indéterminée au sein des cadres classiques, quantiques et des théories probabilistes généralisées (GPT). Il examinera la signification fondamentale des configurations bipartites et multipartites, y compris leurs capacités spatio-temporelles et computationnelles. Pour réaliser des progrès significatifs dans le domaine des fondements de la théorie quantique, le candidat cherchera à appliquer la causalité indéterminée pour approfondir notre compréhension de la théorie quantique standard et de ses interprétations.
Les questions de recherche spécifiques incluent :
• Établir des bases conceptuelles pour l'identification des systèmes et des événements à travers le temps, en particulier en relation avec les ordres causaux indéfinis et les scénarios de « l'ami de Wigner ».
• Placer cette discussion fondamentale émergente dans un cadre philosophique et métaphysique plus large.
• Aborder la notion d'agent/observateur en tant qu'entité théorique plutôt que métathéorique.
Des publications sont attendues dans des revues de physique (PRL, PRA, NJP, Quantum) et/ou dans des revues de philosophie de la physique (Philosophy of Physics, BJPS, Found. Phys., SHPMP). Des collaborations sont prévues avec des groupes en France, en Autriche, en Belgique et au Canada.
Modélisation de la polarisation de charges nucléaires des fragments de fission pour l’évaluation des rendements de fission : applications aux noyaux d’intérêt pour le cycle du combustible
La thématique des données nucléaires est centrale pour les applications de l’énergie nucléaire, constituant le pont entre les propriétés « microscopiques » des noyaux et les valeurs clés « macroscopiques » utiles aux calculs de physique des réacteurs et du cycle. Le Laboratoire d’études de Physique de l’institut IRESNE du CEA Cadarache est engagé dans l’évaluation de ces données nucléaires dans le cadre d’un programme développé au sein du groupe JEFF (animé par l’Agence de l’Energie Nucléaire) et d’un Coordinated Research Project de l’AIEA. Le développement récent d’une nouvelle méthodologie d’évaluation des rendements de fission (taux de production des produits de fission après l’émission des neutrons prompts) induite par neutrons thermiques a permis d’améliorer les précisions des évaluations proposées pour la bibliothèque JEFF-4.0 en fournissant leur matrice de covariances. Pour étendre les évaluations de rendements de fission induites par neutrons thermiques au spectre des neutrons rapides, il est nécessaire de développer un couplage des outils d’évaluation actuels avec des modèles de rendements de fission avant émission des neutrons prompts. Ce couplage est indispensable pour extrapoler les études déjà réalisées sur la fission thermique de l’235U et du 239Pu aux noyaux moins connus expérimentalement (241Pu, 241Am, 245Cm) ou étudier la dépendance de ces rendements avec l’énergie cinétique des neutrons incidents. Une des composantes essentielles manquantes est la description de la distribution en charge nucléaire (Z) en fonction de la masse des fragments de fission et de l’énergie du neutron incident. Ces distributions sont caractérisées par un paramètre clé : la polarisation de charge. Cette polarisation traduit un excès (respectivement défaut) de proton dans le pic des fragments légers (respectivement lourds) par rapport à la densité de charges moyenne du noyau fissionnant. Si cette quantité a été mesurée pour la réaction 235U(nth,f), elle est lacunaire pour d’autres énergies de neutrons ou d’autres systèmes fissionnants. Les perspectives de ce sujet portent autant sur l’impact de ces nouvelles évaluations sur les grandeurs-clés pour les applications électronucléaires qu’à la validation des mécanismes de fission décrit par les modèles microscopiques de fission.
Etude de la dynamique des réacteurs rapides à sels fondus en convection naturelle
Les réacteurs à sels fondus (RSF) sont présentés comme des systèmes intrinsèquement stables vis-à-vis des perturbations de réactivité du fait du couplage entre température du sel et puissance nucléaire conduisant à un comportement homéostatique du réacteur. Néanmoins, bien que les RSF présentent des caractéristiques intéressantes pour la sûreté, le faible retour d’expérience limite nos connaissances sur leur comportement dynamique, qui restent encore parcellaires. Ce sujet de thèse propose de contribuer au développement d’une méthodologie d’analyse de la dynamique des RSF visant à caractériser les phénomènes complexes de couplage neutronique–thermohydraulique intervenant lors d’un fonctionnement en régime de convection naturelle, ainsi qu’à identifier des séquences de transitoires potentiellement instables, à hiérarchiser les phénomènes physiques source de ces instabilités et à proposer des modèles physiques de ces phénomènes.
Ces travaux contribueront à la définition d’une méthodologie orientée sûreté en soutien aux travaux de conception des RSF à partir de l’étude du comportement dynamique du réacteur en transitoire à travers l’analyse dimensionnelle et l’étude de la stabilité de l’écoulement. Cette méthodologie vise à définir des critères simples et robustes pour garantir la sûreté intrinsèque d’un RSF à spectre rapide, en fonction de ses paramètres de conception et d’opération permettant de respecter les limites du domaine de fonctionnement.
Ce travail de thèse se situe à la croisée de l’analyse théorique des phénomènes physiques régissant le comportement du réacteur, en particulier autour de l’étude des régimes instables (de nature oscillatoire ou divergente) dus au couplage neutronique-thermohydraulique en convection naturelle, et de la mise en place d’outils analytiques et numériques pour la réalisation des calculs visant à caractériser ces phénomènes.
Le doctorant sera positionné au sein d’une unité de recherche sur les systèmes nucléaires innovants. Il développera des compétences en modélisation des RSF et en analyse de sûreté. Il pourra valoriser ses travaux auprès de la communauté internationale de recherche sur les RSF.
Construction d'interactions en théorie effective des champs pour la physique nucléaire théorique
La capacité d'un modèle du noyau à donner une description prédictive des phénomènes nucléaires (que ce soit dans un but théorique ou dans l’optique de produire des données nucléaires pour les applications) est conditionnée par la possibilité de construire un cadre théorique systématiquement améliorable, avec des approximations contrôlées et une estimation des incertitudes et biais associés. C'est l'objectif des méthodes dites ab initio, qui reposent sur deux étapes :
1 - La construction d'une interaction inter-nucléons compatible avec la théorie sous-jacente (la chromodynamique quantique) et ajustée dans les noyaux légers, suivant la théorie effective des champs (EFT).
2 - La résolution du problème nucléaire à A corps à une précision donnée (pour la structure ou les réactions) pour faire des prédictions pour tous les noyaux d'intérêt. La spécificité des méthodes ab initio permet et appelle à une propagation des incertitudes provenant de l'interaction jusqu'aux prédictions pour les données nucléaires.
Cette thèse s’inscrit principalement dans la 1ère étape. L'objectif de la thèse est de construire une famille d'interactions ab initio en développant une nouvelle procédure d'ajustement des paramètres de la théorie, appelés constantes de basse énergie (LECs), sur les données expérimentales disponibles (en incluant le calcul de covariances pour des analyses de sensitivité). L'ajustement se fera sur des données de structure mais aussi de réaction dans les noyaux légers. Ceci ouvrira en outre la porte à une nouvelle évaluation des sections p + n -> d + gamma (qui ont de larges incertitudes et sont néanmoins importantes pour les applications de neutronique) dans le cadre moderne des théories effectives de champs.
La thèse est en collaboration entre le CEA/IRESNE Cadarache et l'IJCLab d'Orsay, et sera partagée entre les deux instituts (18 mois au CEA/IRESNE, puis 18 mois à l'IJCLab). Les débouchés de la thèse incluent la recherche et les labos de R&D en physique nucléaire.
Modèles réduits de turbulence pour la fusion magnétique: quand sont-ils pris en défaut, comment les enrichir ?
L'un des principaux défis auxquels est confrontée la modélisation du plasma de fusion est la nature non linéaire de la réponse du plasma. Des facteurs tels que les gradients de température et de densité, les flux et les gradients de vitesse ont tous un impact croisé sur le transport de la chaleur, des particules et de la quantité de mouvement. La modélisation d'un tel système nécessite une hiérarchie d'approches, depuis le cadre dit "1ers principes" de la théorie gyrocinétique forcée par un flux jusqu’à des modèles plus simples, basés sur une approche quasi-linéaire. Ces dernières méthodes sont numériquement efficaces et particulièrement utiles pour interpréter les données expérimentales et explorer des scénarios expérimentaux. Toutefois, cette approche se heurte à deux difficultés majeures. Premièrement, la modélisation de la région périphérique du bord du plasma, à la transition entre les lignes de champ ouvertes et fermées, est difficile en raison de la confluence de physiques sous-jacentes très différentes. Deuxièmement, la modélisation du régime « proche du seuil marginal » est également délicate car elle implique un état d'équilibre dynamique où le comportement du système est autorégulé par des modes lents à grande échelle. Le calcul de cet état est ardu et requiert de s'éloigner de l'hypothèse typique de séparation des échelles de temps entre la turbulence et le transport, ce que permet une approche gyrocinétique forcée par un flux. Des travaux récents, notamment de notre équipe, suggèrent que les modèles de transport quasi linéaires actuels peuvent présenter des lacunes importantes à la fois dans la région périphérique et dans ce régime proche du seuil marginal, pertinent pour les machines du futur. Nous sommes maintenant en mesure d'aborder ces deux questions. Nous avons en effet accès à des outils développés au sein de notre collaboration, au meilleur niveau de la recherche dans ces deux thématiques.
Un des objectifs de la thèse vise à comparer finement les prédictions de transport au bord du plasma ainsi que dans des régimes proches du seuil marginal données par le code gyrocinétique GYSELA, forcé par un flux, avec celles du cadre intégré utilisant le modèle quasi-linéaire réduit QuaLiKiz. En parallèle à la recherche de désaccords entre ces deux approches –par le biais de simulations HPC (high performance computing)– dans des régimes que l'on soupçonne potentiellement problématiques, l'étudiant.e développera également des modèles réduits non-linéaires susceptibles de pallier les insuffisances observées de l'approche quasi-linéaire.