Propriétés chimiques et mécaniques des aluminosilicates N-A-S-H de géopolymère
Le conditionnement des déchets nucléaires de faible et moyenne activité repose principalement sur les ciments, mais leurs limites face à certains déchets (métaux réactifs, huile) imposent d’explorer de nouveaux matériaux plus performants. Les géopolymères, et en particulier ceux constitués d’aluminosilicates de sodium hydratés (système Na2O–Al2O3–SiO2–H2O, noté N–A–S–H) apparaissent comme une alternative prometteuse grâce à leur compatibilité chimique avec certains types de déchets.
Cependant, malgré l’intérêt croissant pour les géopolymères, des verrous scientifiques subsistent : 1/ les données thermodynamiques disponibles sur les N-A-S-H sont encore parcellaires, rendant difficile la prédiction, via la modélisation, de leur stabilité à long terme, 2/ le rôle de leur structure atomique dans leur réactivité reste incompris, 3/ les liens entre composition chimique (rapport Si/Al) et propriétés mécaniques ne sont pas établis, ce qui limite la représentativité des modèles créés.
En combinant expérimentation et modélisation pour relier structure atomique et propriétés, cette thèse a pour but d’obtenir des données inédites et robustes sur les propriétés chimiques et mécaniques des N-A-S-H. Elle s’articule autour de trois objectifs majeurs: 1/ déterminer l’impact de la composition des N-A-S-H sur leur dissolution et établir des constantes thermodynamiques de solubilité, 2/ caractériser leur structure atomique (aluminols, silanols, environnements hydratés) par spectroscopie RMN avancée, 3/ relier leurs propriétés mécaniques, mesurées par nano-indentation, à leur structure et à leur composition, en s’appuyant sur la modélisation par dynamique moléculaire.
Etude des processus diffusionnels de l’oxygène et de l’hydrogène dans les couches d’oxyde pré- et post-transitoires formées sur les alliages de zirconium
Les mécanismes de corrosion des alliages de zirconium dans les réacteurs à eau pressurisée font encore débat plus d’un demi-siècle après les premières recherches sur ce matériau. La littérature fait en effet état de deux mécanismes distincts de transport des espèces diffusantes dans les couches d’oxyde : l'un en faveur de la diffusion moléculaire de l’oxygène et de l’hydrogène à travers des canaux de nanopores interconnectés pendant le régime pré-transitoire, et l'autre plus favorable à la diffusion via des court-circuits (joints de grains...) de l'hydrogène quel que soit son état dans la couche d'oxyde. Dans ce dernier cas, la couche d'oxyde est considérée comme relativement homogène et imperméable au milieu oxydant, en l’occurrence l’eau du circuit primaire. En revanche, la première interprétation part du principe de l’existence d'une couche perméable au milieu en raison d’un réseau interconnecté de nanopores et ce même au cours du régime pré-transitoire, la densité des nanopores percolés augmentant avec le temps.
Comment, techniquement parlant, trancher entre ces deux interprétations divergentes en termes de mécanisme de diffusion menant, par conséquent, à des solutions de protection contre la dégradation différentes ? Quel est finalement le mécanisme réactionnel menant à l’hydruration des alliages de Zr et son oxydation ?
Pour répondre à cet enjeu, nous explorerons les processus diffusionnels en étudiant les vitesses de dissociation-recombinaison des espèces moléculaires à différentes températures dans des mélanges gazeux équi-isotopiques tels que H2/D2, 18O2/16O2, H218O/D216O, H218O/D2 etc à l’aide d’un dispositif expérimental muni d’un spectromètre de masse qui suit en temps réel les espèces moléculaires d’intérêt.
Développement et calibration d’un modèle à champ de phase hyperbolique pour la simulation explicite de la rupture dynamique
La simulation numérique du comportement mécanique des structures soumises à des sollicitations dynamiques représente un défi majeur pour la conception et l’évaluation de la sûreté des systèmes industriels. Dans le domaine du nucléaire, cette problématique est particulièrement critique pour l’analyse des scénarios d’accidents graves dans les Réacteurs à Eau Pressurisée (REP), tels que l’Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP), au cours duquel la dépressurisation rapide du circuit primaire peut conduire à la rupture de tuyauteries. Le développement de modèles physiquement représentatifs, associés à des méthodes numériques robustes et efficaces permettant de simuler ces phénomènes avec une grande fidélité, demeure un sujet de recherche actif.
Parmi les approches non-locales existantes, les méthodes à champ de phase se sont imposées comme un cadre particulièrement intéressant pour la simulation de l’initiation et de la propagation des fissures. Cependant, la majorité des études actuelles se limite à des régimes quasi-statiques ou faiblement dynamiques, pour lesquels les effets de propagation d’ondes peuvent être négligés. À l’inverse, les régimes dynamiques - typiques des sollicitations accidentelles - nécessitent l’utilisation de schémas d’intégration temporelle explicites pour les équations mécaniques qui sont sensibles aux conditions de stabilité. Par conséquence, la formulation elliptique classique des équations d’évolution de l’endommagement n'est pas adaptée à ce contexte. Pour pallier ces limitations, des formulations hyperboliques du champ de phase ont récemment été proposées et évaluées, sachant qu'elles sont nativement plus compatibles avec les approches dynamiques explicites et qu'elles permettent un meilleur contrôle de la cinématique de propagation des fissures.
L’objectif de cette thèse est de faire progresser cette stratégie de modélisation émergente selon trois axes principaux:
- Étendre le cadre théorique de la formulation hyperbolique du champ de phase pour l’endommagement dans le contexte des matériaux standards généralisés, ce cadre étant adapté pour la rupture ductile;
- Proposer des solutions pour juguler l’impact négatif de l’évolution de l’endommagement sur le pas de temps critique;
- S’appuyer sur une campagne d’essais de fracturation dynamique afin de calibrer les simulations, en mettant l’accent sur l’identification des paramètres liés à l’endommagement.
Ce travail de recherche sera mené en collaboration entre le CEA Paris-Saclay, l’ONERA Lille et Sorbonne Université, avec le CEA comme établissement principal d’accueil.
Représentation des sections efficaces par décomposition sur une base d’ondelettes et solveur dédié
La résolution de l’équation de transport des neutrons de manière déterministe repose traditionnellement sur l’approximation multigroupe pour discrétiser la variable d’énergie. Le domaine énergétique est discrétisé au sens d’un maillage à une dimension, dont les éléments de volume sont nommés « groupes » en neutronique, à l'intérieur desquels toutes les grandeurs physiques (telles que le flux, les sections efficaces, les taux de réaction, etc.) sont projetées avec des fonctions constantes par morceau. L'homogénéisation des sections efficaces, qui sont les données d'entrée de l'équation de transport, est complexifiée en présence de noyaux dits "résonants" (leurs sections efficaces varient très rapidement de plusieurs décades), et doit faire l'objet d'un traitement à la volée coûteux en ressources numériques pour améliorer la précision de la résolution de l'équation de transport.
L'objectif de cette thèse est de s’affranchir, dans le domaine résonant en énergie, du découpage en groupes d’énergie grâce à une projection de Galerkin de l’équation continue en énergie sur une base orthonormale d’ondelettes. Ce travail de thèse devra permettre de mettre au point une méthode d’expansion générique adaptée au traitement d’un mélange d’isotopes résonants (pré-processing des sections efficaces, choix de la base et de la méthode de troncature des coefficients, etc). Le candidat développera un solveur de neutronique dédié, en réfléchissant à une implémentation algorithmique efficace exploitant des techniques de programmation avancées adaptées aux architectures de modernes (GPU, Kokkos). Les travaux de cette thèse feront l'objet d'une valorisation scientifique grâce à des publications dans des revues internationales à comité de relecture et à la participation à des conférences.
Passage à l'échelle des simulations de dynamique des dislocations pour l'étude du vieillissement des matériaux du nucléaire
Les matériaux utilisés dans les systèmes nucléaires de production d'énergie sont soumis à des sollicitations mécaniques, thermiques et d'irradiation, conduisant à une évolution progressive de leur tenue mécanique. La compréhension et la modélisation des mécanismes physiques impliqués est un enjeu important.
La simulation par Dynamique des Dislocations vise plus particulièrement à comprendre le comportement du matériau à l'échelle du cristal en simulant de façon explicite les interactions entre les dislocations, la microstructure et les défauts cristallins induits par l'irradiation. Le CEA, le CNRS et l'INRIA développent à cet effet le code de calcul NUMODIS depuis 2007 (Etcheverry 2015, Blanchard 2017, Durocher 2018).
Des travaux plus spécifiques aux alliages de zirconium (Drouet 2014, Gaumé 2017, Noirot 2025) ont permis de valider et enrichir la capacité de NUMODIS à traiter ces mécanismes physiques individuels en les confrontant directement à l’expérience, via des essais de traction in situ sous microscope électronique en transmission. Ces études se trouvent néanmoins limitées par l’incapacité actuelle du code NUMODIS à traiter un nombre suffisamment élevé et représentatif de défauts, et ainsi d’obtenir le comportement mécanique du grain (~10 microns).
L'objectif du travail proposé est de mettre en place de nouveaux algorithmes pour étendre les fonctionnalités du code, proposer et tester de nouveaux algorithmes numériques, paralléliser certaines parties encore traitées séquentiellement et finalement de démontrer la capacité du code à simuler le mécanisme de canalisation de la déformation dans un grain de zirconium irradié.
Les travaux porteront en priorité sur les algorithmes de calcul des vitesses, de formation de jonctions et d’intégration en temps, nécessitant à la fois une maîtrise de la physique des dislocations et des méthodes numériques correspondantes. Des algorithmes d’intégration proposés récemment par l’université de Stanford et au LLNL seront à cet effet implémentés et testés.
Un travail important sera également consacré à l’adaptation du code actuel (parallélisme hybride MPI-OpenMP), aux nouvelles machines de calcul faisant la part belle aux processeurs GPU, via l’adoption du modèle de programmation pour le calcul intensif Kokkos.
S’appuyant à la fois sur les travaux expérimentaux et numériques précédents, cette étude se terminera par la démonstration de la capacité de NUMODIS à simuler le mécanisme de canalisation dans un grain de zirconium irradié, et à identifier voire modéliser les principaux paramètres physiques et mécaniques impliqués.
A l’interface entre plusieurs domaines, le candidat devra avoir de bonnes bases en physique et/ou en mécanique, tout en étant à l’aise en programmation et en analyse numérique.
Références :
1. Etcheverry Arnaud, Simulation de la dynamique des dislocations à très grande échelle, Université Bordeaux I (2015).
2. Blanchard, Pierre, Algorithmes hiérarchiques rapides pour l’approximation de rang faible des matrices, applications à la physique des matériaux, la géostatistique et l’analyse de données, Université Bordeaux I (2017).
3. Durocher, Arnaud, Simulations massives de dynamique des dislocations : fiabilité et performances sur architectures parallèles et distribuées (2018).
4. Drouet, Julie, Étude expérimentale et modélisation numérique du comportement plastique
des alliages de zirconium sous et après irradiation (2014).
5. Gaumé, Marine, Étude des mécanismes de déformation des alliages de zirconium
après et sous irradiation (2017).
6. Noirot, Pascal, Etude expérimentale et simulation numérique, à l'échelle nanométrique et en temps réel, des mécanismes de déformation des alliages de zirconium après irradiation (2025).
Analyse des écoulements fortement concentrés en bulles par simulations numériques à interfaces résolues
Pour évaluer la sûreté des installations industrielles, le CEA développe, valide et utilise des outils de simulation en thermohydraulique. Il s’intéresse en particulier à la modélisation des écoulements diphasiques par différentes approches de la plus fine à la plus intégrale. Afin de mieux comprendre les écoulements diphasiques, le Service de Thermohydraulique et de Mécanique des Fluides (STMF) travaille à la mise en place d’une démarche multiéchelle où la simulation fine (DNS, Simulation Numérique Directe diphasique) est utilisée comme « expérience numérique » pour produire des données de référence. Ces données sont ensuite moyennées pour être comparées aux modèles utilisés à plus grande échelle. Cette démarche est appliquée aux écoulements haute-pression où le régime à bulles est conservé même à des taux de vide très élevés. Le Laboratoire de Développement aux Echelles Locales (LDEL) du STMF a développé une méthode de DNS (Front-Tracking) implémentée dans son code Open-Source de thermo-hydraulique : TRUST/TrioCFD [1] (code orienté objet, C++). Lors de plusieurs thèses, elle a permis de réaliser des simulations massivement parallèles pour décrire finement les interfaces sans recourir à des modèles, par exemple dans des groupes de bulles (appelés essaims) [2][3][4]. Actuellement appliquée aux écoulements diphasiques à bulle peu concentrés (fraction volumique inférieure à 12%), l’objectif de cette thèse sera d’évaluer et utiliser la méthode à plus fort taux de vide. Des simulations HPC de référence d’essaims de bulles seront menées sur des supercalculateurs nationaux jusqu’à des taux de présence de gaz de 40%. La qualité des résultats sera évaluée avant d’extraire des modèles physiques d’interactions de bulles dans ces conditions. L’objectif de ces modèles est de retrouver la dynamique globale de l’essaim de bulle à des résolutions beaucoup plus faibles, et ainsi permettre d’étudier des systèmes plus gros et en déséquilibre (forçage externe de génération de turbulence imposée, gradient de vitesse moyenne imposé, …). Ce travail s’inscrit dans un projet ANR, en collaboration avec l’IMFT et le LMFL en parallèle de 2 autres thèses dont une expérimentale au LMFL avec lesquelles il y aura de fortes interactions. Il inclut des aspects numériques (validation), des développements informatiques (C++), ainsi qu’une analyse physique des écoulements obtenus. L'étudiant sera accueilli au LDEL au sein d'un groupe de chercheurs et de nombreux doctorants. En collaboration avec le monde académique, il publiera ses travaux et participera à des conférences internationales.
SCHEMA AUX CARACTERISTIQUES POUR LE TRANSPORT DES NEUTRONS EN 3D COMBINANT LA METHODE LINEAIRE SURFACIQUE ET L’EXPANSION POLYNOMIALE AXIALE ET ACCELERE PAR LA PROGRAMMATION GPU
Cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement des techniques de calcul numérique pour la physique des réacteurs. Plus précisément, elle porte sur la mise en œuvre de méthodes intégrant des développements spatiaux d'ordre supérieur pour le flux et les sections efficaces neutroniques. L'objectif principal est d'accélérer les algorithmes existants et ceux qui seront développés grâce à la programmation sur GPU. En exploitant la puissance de calcul des GPU, cette recherche vise à améliorer l'efficacité et la précision des simulations en physique des réacteurs, contribuant ainsi au domaine plus vaste du génie nucléaire et de la sûreté nucléaire.
Simulation des gels d’altération des verres nucléaires à l’échelle mésoscopique à l’aide d’un système quaternaire.
Ce sujet s’inscrit dans le cadre des études réalisées sur le comportement à long terme des verres nucléaires immobilisant des déchets radioactifs et potentiellement destinés à être placés en stockage géologique. L’enjeu réside en la compréhension des mécanismes d’altération et de formation d'un gel (couche passivante pouvant ralentir la vitesse d’altération du verre) par l’eau et à la prédiction des cinétiques de relâchement des radionucléides sur le long terme.
L’approche de simulation proposée vise à prédire à l’échelle mésoscopique le processus de maturation du gel formé lors de l’altération du verre par l’eau à l'aide d'un "modèle à champs de phases" ternaire composé du silicium, du bore et de l’eau (lixiviant) auquel il conviendra d'ajouter l'alluminium.
Le modèle mathématique quaternaire sous-jacent est composé d’un ensemble d’Equations aux Dérivées Partielles non-linéaires couplées. Elles sont basées sur les équations de Allen-Cahn et du transport. La résolution numérique des équations associées est réalisée par méthode de Boltzmann sur réseaux (Lattice Boltzmann Method – LBM) programmée en C++ dans le code de calcul massivementparallèle LBM_saclay qui s’exécute sur plusieurs architectures HPC, aussi bien muti-CPUs que multi-GPUs.
Le sujet proposé nécessite de bonnes bases en mathématiques appliquées et en programmation afin de développer les algorithmes nécessaires à la bonne résolution du nouveau système d'équations fortement couplées.
Méthode de sensibilité adjointe appliquée aux modélisations industrielles des cœurs de reacteurs nucleaires
L’objectif de cette thèse est de poser les bases pour l’application de la méthode de sensibilité adjointe aux modélisations industrielles des cœurs de réacteur nucléaire à combustible solide. Le sujet principal sera la prise en compte du couplage entre neutronique, thermohydraulique, thermique crayon et évolution.
Rupture ductile sous chargement oligocyclique des matériaux irradiés : Caractérisation expérimentale, modélisation et simulation numérique
Les alliages métalliques utilisés dans les applications industrielles ont le plus souvent un mode de rupture ductile par germination, croissance et coalescence de cavités internes. Les cavités apparaissent du fait de la rupture d’inclusions, croissent sous l’effet du chargement mécanique jusqu’à se rejoindre, conduisant à la ruine de la structure. La résistance à l’amorçage et à la propagation de fissure résulte de ce mécanisme. La prédiction de la ténacité passe donc par la
modélisation de la plasticité des matériaux poreux. Le comportement de matériaux poreux a été très étudié tant d’un point de vue expérimental que théorique et numérique dans le cas de chargement mécanique monotone en grandes déformations, conduisant à des lois de comportement permettant de simuler la rupture ductile de structure. Le cas des chargements mécaniques cycliques à faible nombre de cycles et / ou impliquant de faibles niveaux de déformations a comparativement été peu étudié, alors même que ce type de chargement est d’intérêt dans les applications industrielles, par exemple dans le cas de séisme. Dans cette thèse, l’effet de chargements oligocycliques sur les propriétés de rupture ductile sera investigué de manière systématique d’un point de vue expérimental, théorique et numérique. Des campagnes d’essais seront réalisées sur différents matériaux utilisés dans les applications nucléaires et pour différentes conditions de sollicitations mécaniques afin de quantifier l’effet des chargements oligocycliques sur la déformation à rupture et
la ténacité. En parallèle, des simulations numériques seront effectuées afin d’obtenir une base de données étendue concernant le comportement plastique de matériaux poreux sous chargement cyclique en s’intéressant en particulier aux effets de l’élasticité, de la porosité, du chargement mécanique et de distribution spatiale de cavités. Ces simulations numériques seront utilisées pour valider des modèles analytiques développés au cours de la thèse visant à prédire l’évolution de la porosité et la contrainte d’écoulement. Enfin, les modèles seront implémentés sous la forme de lois
de comportement et utilisés pour simuler les essais expérimentaux.