Le choix technologique dans l'écoconception d'architectures IA
Les systèmes électroniques ont un impact environnemental significatif en termes de consommation de ressources, d’émissions de gaz à effet de serre et de déchets électroniques, qui connaissent tous une tendance à la hausse massive. Une grande partie de l'impact est due à la production, et plus particulièrement à la fabrication de circuits intégrés, qui devient de plus en plus complexe, gourmande en énergie et en ressources avec les nouveaux nœuds technologiques. La technologie employée pour l'implémentation d'un circuit a des effets directs sur les coûts environnementaux pour la production et l'usage, la durée de vie du circuit et les possibilités de plusieurs cycles de vie dans une perspective d'économie circulaire. Le choix technologique devient donc une étape indispensable de la phase d'écoconception d'un circuit.
La thèse vise à intégrer l'exploration de différentes technologies dans un flot d'éco-conception de circuit intégré. Le travail a pour objet la définition d’une méthodologie pour une intégration systématique du choix technologique dans le flot, avec identification de la meilleure configuration de l’architecture implémentée pour une maximisation de la durée de vie et la prise en compte des stratégies d’économie circulaire. Les architectures visées par la thèse rentrent dans le domaine de l’IA embarqué, qui connait une tendance de déploiement à la hausse et comporte des défis sociétaux majeures. La thèse constituera une première étape de recherche vers une IA embarquée soutenable.
Assimilation de données transitoires et calibration de codes de simulation à partir de séries temporelles
Dans le cadre de la simulation scientifique, certains outils (codes) de calcul sont construits comme un assemblage de modèles (physiques) couplés dans un cadre numérique. Ces modèles et la façon dont ils sont couplés utilisent des jeux de paramètres ajustés sur des résultats expérimentaux ou sur des résultats de calculs fins de type « Simulation numérique directe » (DNS) dans une démarche de remontée d’échelle. Les observables de ces codes, ainsi que les résultats expérimentaux ou les résultats des calculs fins, sont majoritairement des grandeurs temporelles. L’objectif de cette thèse est alors de mettre en place une méthodologie de fiabilisation de ces outils en ajustant leurs paramètres par assimilation de données à partir de ces séries temporelles.
Un travail sur l’ajustement de paramètres a déjà été réalisé dans notre laboratoire dans le cadre d’une thèse précédente, mais en utilisant des scalaires dérivés des résultats temporels des codes. La méthodologie développée durant cette thèse a intégré des étapes de criblage, de métamodélisation, et d’analyse de sensibilité qui pourront être repris et adaptés au nouveau format des données. Une étape préalable de transformation des séries temporelles sera à mettre au point, afin de réduire les données tout en limitant les pertes d’information. Des outils de machine learning /deep learning pourront être envisagés.
L’application de cette méthode se fera dans le cadre de la simulation des accidents graves de réacteurs nucléaires. Durant ces accidents le cœur se dégrade et du corium (magma de combustible et d’éléments de structure issus de la fusion du cœur du réacteur) se forme et peut se relocaliser et interagir avec son environnement (liquide réfrigérant, acier de la cuve, béton du radier, …). Certains codes de simulation d’accidents graves décrivent individuellement chaque étape / interaction, quand d’autres décrivent la totalité de la séquence accidentelle. Ils ont en commun d’être multiphysiques et d’avoir un nombre de modèles et de paramètres souvent grand. Ils décrivent des phénomènes physiques transitoires dans lesquels le caractère temporel est important.
La thèse se déroulera au Laboratoire de Modélisation des Accidents Graves de l’institut IRESNE au CEA Cadarache, dans une équipe au meilleur niveau national et mondial pour l’étude numérique des phénomènes liés au corium, de sa génération à sa propagation et son interaction avec l’environnement. Les techniques mises en œuvre pour l’assimilation de données ont également un important potentiel générique qui assurent des débouchés importants pour le travail proposé, dans le monde du nucléaire et ailleurs.
Décomposition de domaine multi-bloc et non conforme, adaptée au couplage aux frontières 'exact' du code de thermohydraulique SIMMER-V
Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la recherche nécessaire pour l'utilisation durable de l'énergie nucléaire dans un mix énergétique décarboné respectueux du climat. Les réacteurs de 4° génération refroidis au sodium sont alors des candidats de grand intérêt pour l'économie de la ressource en uranium et la minimisation du volume des déchets ultimes.
Dans le cadre de la sûreté de tels réacteurs, il est important de pouvoir décrire avec précision les conséquences d'une éventuelle dégradation du cœur. Une collaboration avec son homologue japonais JAEA permet au CEA de développer le code SIMMER-V dédié à la simulation de la dégradation du cœur. Le code calcule la thermohydraulique du sodium, la dégradation des structures et la neutronique du cœur pendant la phase accidentelle. L'objectif est de pouvoir représenter non seulement le cœur mais aussi son environnement direct (circuit primaire) avec précision. La prise en compte de cette topologie requiert de partitionner le domaine et d'utiliser une méthode de couplage aux frontières. La limite de cette approche réside généralement dans la qualité et la robustesse de la méthode de couplage, en particulier lors de transitoires rapides au cours desquels des ondes de pression et de densité sont amenées à traverser les frontières.
Une méthode de couplage a été initiée au Laboratoire de Modélisation des Accidents Graves de l’institut IRESNE de Cadarache (Annals of Nuclear Energy 2022,Implementation of multi-domains in SIMMER-V thermohydraulic code https://doi.org/10.1016/j.anucene.2022.109338), qui consiste à fusionner les différentes décompositions de chacun des domaines, dans le but de constituer une décomposition unique du calcul global. Cette méthode a été développée dans un cadre simplifié où les maillages (cartésiens) se raccordent de manière conforme au niveau des frontières. L'opportunité qui s'ouvre est d'étendre cette méthode au cas des raccords quelconques en utilisant la librairie MEDCoupling. Cette première étape dont la faisabilité a été acquise permettra d'assembler des composants pour constituer un système de type 'loop' (réacteur à boucles). La deuxième étape consistera à étendre la méthode de sorte qu'un domaine de calcul puisse être totalement emboîté dans un autre. Cet emboîtement permettra alors de constituer un domaine par juxtaposition ou par emboîtement avec des maillages et des décompositions de domaine non conformes. Après avoir vérifié les qualités numériques de la méthode, la dernière étape applicative consistera à construire une simulation de la dégradation d'un cœur plongé dans sa cuve primaire (configuration 'pool') permettant de valider la méthode suivie.
Ce travail permettra à l’étudiant de développer des connaissances en techniques numériques et modélisation pour les systèmes physiques complexes avec écoulements. Il mettra en œuvre des techniques allant de la conception à la validation de méthodes, dans une équipe pluridisciplinaire et dynamique au CEA Cadarache.
Génération assistée par l'IA de simulateurs d’architectures numériques
Les outils de simulation d'architectures numériques reposent sur divers types de modèles, de niveaux d’abstraction différents, afin de répondre aux exigences de la co-conception et de la co-validation matériel/logiciel. Parmi ces modèles, ceux de plus haut niveau permettent la validation fonctionnelle rapide de logiciels sur les architectures cibles.
Ces modèles fonctionnels sont souvent élaborés de manière manuelle, une tâche à la fois fastidieuse et sujette aux erreurs. Lorsque des descriptions de bas niveau en RTL (Register Transfer Level) sont disponibles, elles deviennent une source à partir de laquelle des modèles de plus haut niveau, tels que les modèles fonctionnels, ou simulateurs rapides, peuvent être déduits. Des travaux préliminaires au CEA ont permis d'obtenir un prototype initial basé sur MLIR (Multi-Level Intermediate Representation), démontrant des résultats prometteurs dans la génération de fonctions d'exécution d'instructions à partir de descriptions RTL.
L'objectif de cette thèse est d'approfondir ces travaux, puis d'automatiser l'extraction des états architecturaux en s'inspirant des dernières avancées en matière d'apprentissage automatique pour l'EDA. Le résultat attendu est un flot complet de génération automatique de simulateurs fonctionnels à partir de RTL, garantissant ainsi, par construction, une consistance sémantique entre les deux niveaux d'abstraction.
Accélération logicielle et matérielle de Neural Fields en robotique autonome
Depuis 2020, les réseaux de neurones Neural Radiance Fields, ou NeRFs, ont été l'objet d'un fort intérêt de la communauté scientifique pour ses capacités de reconstruction 3D implicite et de synthèse de nouveaux points de vues d'une scène à partir d'un nombre restreint d'images de celles-ci. Les dernières avancées scientifiques ont permis d'améliorer drastiquement les performances initiales (réduction du nombre de données nécessaires, de besoins mémoire et augmentation de la vitesse de traitement), ouvrant la voie à de nouvelles utilisations de ces réseaux, en particulier en embarqué, ou pour de nouveaux objectifs.
Cette thèse s'intéresse ainsi à l'utilisation de ces réseaux à des fins de navigation robotique autonome, avec les contraintes embarquées impliquées: consommation, ressources matérielles de calcul et de mémorisation limitées. Le contexte de navigation impliquera d'élargir des travaux entamés autour de versions incrémentales de ces réseaux de neurones.
L'étudiant aura à charge de proposer et concevoir des mécanismes algorithmiques, logiciels et matériels innovants permettant d'envisager l'exécution de NeRFs en temps réels pour la navigation robotique autonome.
Composites magnétiques doux de type nanocristallins : Mise en forme des poudres et contrôle des propriétés magnétiques pour applications hautes fréquences
Contexte : L’atteinte de la neutralité carbone en 2050 passe par une électrification massive des usages. L’électronique de puissance (EP) est le système de contrôle qui permettra cette mutation (pénétration des EnR, intégration des micro-réseaux d’énergie, développement de la mobilité électrique) - Problématique : Les développements actuels des convertisseurs de l’EP visent à augmenter les fréquences de commutation des interrupteurs grands gaps (SiC ou GaN). A basse fréquence les composants magnétiques restent volumineux et occupent jusqu’à 40% de l’encombrement total. A haute fréquence (HF > 100 kHz) des gains très importants sont espérés mais ceci uniquement si les pertes générées dans ces composants restent maitrisées. Aujourd’hui la seule classe de matériaux magnétiques appliquée à la HF reste les céramiques de type ferrites MnZn ou NiZn du fait de leur faible cout et de leur bonne résistivité électrique (?elec > 1 O.m). Les principaux inconvénients de ces matériaux sont reliés à leur faible induction à saturation (Bsat < 0.4 T) qui limite la réduction de dimension) et aussi à leur fragilité mécanique. Les matériaux nanocristallins ont des Bsat meilleures (1.3 T), mais leur ?elec est de l’ordre de 1.5 µO.m (6 fois moins résistif que les ferrites) ce qui génère des pertes par courant induits importants à HF. Objectif de la thèse : Développer des composites magnétiques en suivant des étapes de : broyage de rubans nanocristallins, d'isolation électrique des poudres (revêtement d'épaisseur fine par sol-gel), de compaction des poudres à haute pression (1000-2000 MPa) pour la mise en forme du noyau puis d’une relaxation thermique des contraintes pour minimiser les champs coercitifs et obtenir des pertes plus faible à HF
Metrologie répartie haute cadence et haute capacité par réseaux de Bragg pour les applications de surveillance structurelle (SHM)
En complément des techniques de contrôle périodique non destructif, la surveillance de santé des structures (Structural Health Monitoring – SHM) fait intervenir des systèmes de mesures in situ par fibres optiques et réseaux de Bragg (RdB) et des algorithmes d’évaluation fonctionnelle. Les RdB délivrent des mesures in-situ de déformation et de température et renseignent sur l’état de déformation interne d’une structure consécutif à la fatigue ou à des impacts. Ils sont également utilisés comme détecteurs acoustiques, en remplacement des céramiques piézoélectriques. La surveillance de structures étendues ou les analyses acoustiques par tomographies active ou passive nécessitent simultanément une capacité de mesure et une cadence d’acquisition élevée. Or les unités de lecture RdB commerciales sont essentiellement basées sur des techniques de multiplexage spectral (Wavelength-Division Multiplexing, WDM) ou sur la réflectométrie fréquentielle (Optical Frequency-Domain Reflectometry, OFDR). Les unités WDM sont limitées en capacité (typiquement quelques dizaines de points de mesure) mais peuvent présenter des cadences supérieures au MHz compatibles avec une analyse acoustique. A contrario, les unités OFDR peuvent gérer plusieurs milliers de points de mesure mais à des cadences réduites (inférieures à la centaine de Hz). La spectrométrie Bragg dispersive (DBS) est une technique innovante susceptible de lever ces limitations et d’aboutir simultanément à une cadence et une capacité de mesure élevées, ouvrant ainsi la voie à une reconstruction tomographique performante. Le principe consiste à utiliser un laser impulsionnel, un milieu fortement dispersif, un détecteur large bande et un oscilloscope à grande bande passante (HDO) et transformer un décalage de longueur d’onde de Bragg et un retard temporel. Différents modes d’application de cette technique seront évalués durant ce travail de thèse, avec des lignes de RdB multiples (e.g. DTG) ou des réseaux à périodes variables. La technique DBS sera préalablement évaluée au laboratoire (LSPM) avec des céramiques piézoélectriques, voire par la technique laser ultrasonique (avec CNRS/PIMM). Puis, elle sera testée sur différents démonstrateurs offerts par les partenaires institutionnels et industriels du réseau doctoral MSCA USES 2 : structure de génie civil (BAM [Berlin, Allemagne]), réservoir d’hydrogène en composite (Faber [Cividale del Friuli, Italie], CEA DAM [Le Ripault]) et conduite métallique de transport de fluides (ENI [Milano, Italie]). Le doctorant se déplacera sur ces différents sites d’essais (période de 2 mois chacune), y implémentera la technique DBS et procédera au retour d’expérience de terrain.
Etude et compréhension des mécanismes de thermo-conversion et dépolymérisation de déchets plastiques en conditions d’eau supercritique
La valorisation de déchets carbonés est un sujet d’actualité qui génère un grand intérêt dans la Economie circulaire du carbone. Des efforts substantiels ont été consacrés à renforcer les procédés durables ces dernières années. Ils reposent sur le développement des systèmes pour améliorer la circularité du carbone (recyclage de la matière et énergie).
La production mondiale de plastiques a doublé de 230 millions de tonnes en 2000 à 460 millions de tonnes en 2019. Cette production/consommation exponentielle a des conséquences importantes sur l’environnement. Malgré l'existence de méthodes de recyclage, seulement 9% de la production mondiale des plastiques est recyclé actuellement, et la quantité restante (pas valorisée) représente une véritable source de pollution [1].
Les mélanges de différents types de plastiques rendent difficile les étapes de tri, ce qui représente le principal inconvénient pour les systèmes de recyclage matière. Une application intéressante récemment rapportée dans la littérature est l’utilisation du procédé de gazéification hydrothermale pour traiter les rejets et mélanges des plastiques difficiles à trier pour produire un gaz riche en CH4 et H2 [2]. La gazéification hydrothermale (HTG) est un processus thermochimique qui utilise les conditions supercritiques de l'eau (T > 374 °C, P >221 bar), afin de convertir le carbone organique contenu dans la matière en une phase gazeuse (qui contient principalement CH4, H2, et CO2). En outre, la flexibilité du procédé permet aussi l’étude de dépolymérisation de ces déchets en conditions proche du point critique de l’eau, ce qui facilite l’obtention de molécules d’intérêt pour l’industrie chimique et leur réutilisation.
Ainsi, l’étude et compréhension des mécanismes de conversion de différents types de plastiques (et leurs mélanges) dans ce processus semble essential pour valoriser ces déchets. L’identification des voies réactionnelles est cependant toujours un verrou scientifique majeur. L’objectif de la thèse est l’étude des mécanismes réactionnels de transformation des charges modèles de plastiques et leurs mélanges en conditions d’eau supercritique. La compréhension des phénomènes pourra conduire à l’optimisation du procédé HTG (avec et sans catalyseurs) pour faciliter la production d’un gaz riche en CH4/H2 et l’obtention d’intermédiaires pour l’industrie chimique. Ce travail concerne la poursuite des recherches sur : i) l’étude de thermo-conversion et dépolymérisation des plastiques ; ii) l’étude du comportement des catalyseurs dans le milieu supercritique (activation/désactivation); iii) l’étude de la sélectivité vers la production d’un gaz contenant du CH4/H2 et d’intermédiaires.
Planification du déploiement d’infrastructures énergétiques à l’échelle d’un territoire : Approche d’optimisation économique et environnementale
Le contexte général est celui de la « Conception et optimisation de systèmes énergétiques multi-vecteurs à l’échelle territoriale »
Plus précisément, il s’agit de développer les nouvelles méthodes permettant d’étudier les trajectoires de réduction d’impact environnemental global (ACV sous-jacente) d’un territoire en maîtrisant les coûts dans divers cas d’applications, par exemple :
• Opportunité de développer des infrastructures (par exemple réseau H2, ou réseau de chaleur) pour permettre la décarbonation, en développant les usages là où ces infrastructures existent ou existeront, tout en réduisant l’impact environnemental global pour des usages donnés.
• Impact, sur ces études, d’une centralisation ou décentralisation de moyens de production et de consommation,
• Prise en compte de l’évolution temporelle des investissements avec le compromis de rénover / remplacer, à un instant donné, des installations dans une optique de réduction de l’impact environnemental global pour des usages donnés.
Des cas d'applications possibles d'infrastructures hydrogène sont en cours ou identifiés.
Développement de catalyseurs d’hydrogénation du CO2 en oléfines légères
Les oléfines légères comme l’éthylène et le propylène font partie des composés organiques les plus produits dans le monde, en tant qu’intermédiaires lors de la production de polymères, solvants, etc... Ces molécules sont issues de ressources fossiles, notamment produit par vapo-crackage du naphta. La réduction de l’empreinte carbone des produits issus de ces oléfines légères passera par l’utilisation de ressources non-fossiles pour leur production. Comme souligné par le GIEC dans son rapport sur les solutions de mitigations contre le réchauffement climatique, le CO2 atmosphérique est la source de carbone à considérer.
L’objectif de la thèse consiste à développer un catalyseur pour l’hydrogénation directe du CO2 en oléfines légères. L’hydrogénation directe consiste en la transformation du CO2 en molécules à hautes valeurs ajoutées en un seul réacteur. Les catalyseurs développés seront à base de Fe combinant la fonction Reverse Water Gas Shift (RWGS) et polymérisation type Fischer-Tropsch (FT). Le sujet proposé vise à préparer des nanoparticules de Fe de taille et composition contrôlées et de les déposer sur des supports (alumine, silice, carbone …), afin de mieux comprendre les phases du Fe (carbure, oxyde) mises en jeu dans ces réactions. Les catalyseurs développés seront évalués en réacteur capillaire, et finement caractérisés par diverses méthodes (DRX, XPS, HRTEM,…) pour permettre la compréhension des mécanismes réactionnels.