Développement d’algorithmes de Machine Learning pour l’amélioration de l’acquisition et du traitement des images en imagerie radiologique
Le Laboratoire de Mesures Nucléaires du LNPA ( Laboratoire d'étude des technologies du Numérique et des Procédés Avancés) de Marcoule est constitué d’une équipe spécialisée dans les mesures nucléaires de terrain. Ses activités sont réparties entre le développement de système de mesures et l'expertise technique auprès d'installations du CEA ou de partenaires externes (ORANO, EDF, AIEA).
Le LNPA développe et utilise des imageurs radiologiques (gamma et alpha) depuis plusieurs années. Certains des développements réalisés ont donnés lieu à des produits industriels et d’autres imageurs sont toujours en cours de développement et d’amélioration. L’imagerie alpha, en particulier, est un procédé qui permet de déceler des zones de contamination alpha à distance. La localisation du terme source alpha est une étape importante en boîte à gants que ce soit pour un projet d’assainissement et de démantèlement, pour la maintenance en exploitation ou pour la radioprotection des travailleurs. L’alpha caméra est l’outil qui rend accessible la cartographie alpha à distance et depuis l’extérieur des boîtes à gants.
L'objectif de la thèse est de développer et mettre en place des solutions mathématiques de prédiction et de débruitage pour améliorer l'acquisition et le post-traitement d'images radiologiques, et, en particulier, d'images alpha caméra.
Deux axes de recherche principaux seront approfondis :
- Le développement d'algorithme de débruitage d'image en temps réel ou en post-traitement
- Le développement d'algorithme prédictif pour générer des images à statistique élevées sur la base d'échantillons d'images réelles.
Pour ce faire une base de données expérimentale et par simulation sera à établir afin d'alimenter les algorithmes IA.
Ces deux axes de recherche seront concrétisés par la réalisation d’un prototype d’imageur intégrant les fonctionnalités de Machine Learning, une interface d’acquisition et de traitement d’image, qui sera utilisé lors d’une mise en œuvre expérimentale.
A travers cette thèse l’étudiant se forgera de solides connaissances en mesures nucléaires, interaction rayonnement/ matière, traitement d’images scientifiques et aura une vision précise des besoins radiologiques dans le cadre des chantiers d’assainissement / démantèlement.
Méthodes pour la détection rapide d’évènements gravitationnels à partir des données LISA
La thèse porte sur le développement de méthodes d’analyse rapide pour la détection et la caractérisation des ondes gravitationnelles, en particulier dans le cadre de la future mission spatiale LISA (Laser Interferometer Space Antenna) prévue par l’ESA vers 2035.L’analyse des données fait intervenir différentes étapes dont l’une des premières est le « pipeline » d’analyse rapide, dont le rôle est la détection de nouveaux évènements, ainsi que la caractérisation d’évènements. Le dernier point a trait à l’estimation rapide de la position dans le ciel de la source d’émission d’ondes gravitationnelles, et de leur temps caractéristique tel que le temps de coalescence pour une fusion de trous noirs par exemple. Ces outils d'analyse forment le pipeline d'analyse à faible latence (low-latency pipeline). Au-delà de l’intérêt pour LISA, celui-ci joue également un rôle primordial pour le suivi rapide des évènements détectés par des observations électromagnétiques (observatoires au sol ou spatiaux, des ondes radio aux rayons gamma). Si des méthodes d’analyse rapides ont été développées pour les interféromètres au sol, le cas des interféromètres spatiaux tels que LISA reste un champ à explorer. Ainsi, un traitement adapté des données devra prendre en compte le mode de transmission des données par paquet, nécessitant ainsi la détection d’évènements à partir de données incomplètes. À partir de données entachées d’artefacts tels que des glitches, ces méthodes devront permettre la détection, la discrimination et l’analyse de sources diverses
Dans cette thèse, nous proposons de développer une méthode robuste et performante pour la détection précoce de binaires de trous noirs massifs (MBHBs). Cette méthode devra permettre la prise en compte du flux de données tel qu’attendu dans le cadre de LISA, traité de potentiels artefacts (e.g. bruit non-stationnaire et glitches). Elle permettra la production d’alarmes, incluant un indice de confiance de la détection ainsi qu’une première estimation des paramètres de la source (temps de coalescence, position dans le ciel et masse de la binaire) ; une première estimation rapide est essentielle pour initialiser au mieux une estimation plus précise mais plus couteuse de l’estimation de paramètres.
Navigation Multicritères d’un Agent Mobile appliquée à la robotique d’investigation nucléaire
Dans les environnements dangereux ou inaccessibles à l’homme, la robotique mobile joue un rôle essentiel pour assurer l’inspection, l’intervention et la collecte de données. Cependant, naviguer dans ces milieux complexes ne consiste pas seulement à éviter les obstacles : les robots doivent aussi composer avec des zones sans réseau, des sources de contamination, des contraintes énergétiques et des cartes incomplètes. Une première thèse (2023-2026) a introduit une méthodologie de navigation multicritères fondée sur la superposition cartographique et l’agrégation pondérée de contraintes, démontrant la faisabilité d’une planification adaptée en environnement statique simulé.
La thèse proposée visera à étendre cette approche aux environnements dynamiques et partiellement inconnus, nécessitant une prise de décision adaptative en temps réel. Le travail s’appuiera sur des outils de robotique mobile, de fusion de données et d’intelligence décisionnelle, ainsi que sur des moyens expérimentaux permettant des validations réalistes. L’objectif est de rapprocher la navigation robotique des conditions réelles rencontrées dans les chantiers de démantèlement nucléaire, et plus largement dans tous les environnements industriels à risque. Cette thèse offrira au doctorant(e) un environnement de recherche actif, des collaborations pluridisciplinaires et des perspectives solides dans les domaines de la robotique autonome et de la sûreté d’intervention.
Méthodes de synthèse de turbulence des milieux poreux à partir de simulations fines pour la modélisation multi-échelle des cœurs nucléaires
La production d'électricité par l'énergie nucléaire joue un rôle crucial dans la transition énergétique, grâce à son faible impact carbone. Pour améliorer continuellement la sécurité et les performances, il est indispensable de développer de nouvelles connaissances et outils.
Le cœur d'un réacteur nucléaire est constitué de milliers de crayons combustibles traversés par un écoulement turbulent. Ce flux peut provoquer des vibrations, pouvant entrainer une usure. Deux échelles d'écoulement sont identifiées : une échelle locale, où le fluide interagit avec les crayons, et une échelle globale, représentant la distribution de l’écoulement dans le cœur. L'échelle locale nécessite des simulations CFD et un couplage fluide-structure, tandis que l'échelle globale peut être modélisée par des approches moyennes, comme les simulations de milieux poreux.
Les simulations couplées d'interaction fluide-structure (FSI) à l'échelle CFD sont limitées à de petits domaines. Pour surmonter cette limitation, des approches multi-échelles sont requises, combinant simulations de milieu poreux à grande échelle et simulations CFD détaillées à petite échelle. L'objectif de la thèse est de développer des méthodes pour synthétiser la turbulence à partir des résultats des simulations de milieu poreux, afin d'améliorer les conditions aux limites pour les simulations CFD. Le candidat étudiera d'abord comment les modèles de turbulence existants peuvent fournir des détails sur le flux turbulent à l'échelle du composant, puis comment synthétiser la turbulence pour les simulations CFD locales.
Ce projet de thèse fait l’objet d’une collaboration entre l'institut IRESNE (CEA) et l’ASNR. La thèse sera réalisée sur le site de Cadarache (principalement à l'ASNR). Le financement sera assuré par un MSCA Doctoral Network. Le doctorant sera intégré dans un réseau de 17 doctorants, pour être éligible le candidat devra avoir résider au maximum 12 mois sur les 36 derniers en France.
Caractérisation des chemins de réaction conduisant à l’emballement thermique pour nouvelles technologies de batteries
Le développement de cellules tout-solide n’est plus une simple hypothèse aujourd’hui. Dans le cadre du projet Safelimove, nous avons évalué la sécurité de cellules polymères hybrides de 1 Ah et 3 Ah, ce qui a conduit à une publication. De plus, dans le projet Sublime, nous avons évalué la sécurité de cellules 1 Ah à base de sulfure (argyrodite), une publication est actuellement en cours de soumission.
Avec l’arrivée de ces nouvelles cellules, il devient encore plus crucial d’accompagner leur développement par une évaluation fine de la sécurité et l’identification des mécanismes complexes mis en jeu. Les grands instruments tels que le synchrotron et le réacteur à neutrons représentent une opportunité puissante pour atteindre cet objectif, car ils offrent les meilleures résolutions spatiale et temporelle. Par exemple, grâce à la radiographie RX rapide de l’ESRF, il est possible de visualiser l’intérieur de la cellule lors de l’emballement thermique, permettant ainsi d’identifier localement l’impact des réactions (électro)chimiques sur la microstructure des composants et de valider nos modèles d'emballement thermique. De plus, avec la diffusion de rayons X aux grands angles (WAXS), il est possible de suivre in situ l’évolution de la structure cristalline des matériaux actifs pendant une réaction très rapide d’emballement thermique. En effet, l’utilisation de rayonnement synchrotron permet de réaliser un diffractogramme toutes les 3 millisecondes. Le faisceau de neutrons de l'ILL nous permet également de suivre l’évolution de la structure du lithium métal avant, pendant et après l’emballement. Il est important de souligner que ces trois techniques mentionnées sont aujourd’hui maîtrisées par les équipes du LAPS et ont, ou vont faire, l’objet de publications.
Par ailleurs, de nouvelles techniques complémentaires pourront être explorées, pour l’étude de l’impact des contraintes thermiques/mécaniques sur les matériaux actifs à partir de la ligne de lumière BM32, ou l’évaluation des degrés d’oxydation des métaux via la spectroscopie d’absorption des RX (XAS) sur ID26.
Des caractérisations en laboratoire plus classiques seront également effectuées, telles que la DSC, l’ATG-MS et la DRX.
Dans le cadre de nos différentes collaborations, pour le système tout-solide, le matériau actif de l’électrode positive sera très probablement du NMC, voire du LMFP en cas de difficultés d’approvisionnement. L’électrolyte utilisé sera à base de sulfure, voire d’halogénure, tandis que l’anode sera composée de lithium métal voire d’un alliage de lithium. Si le temps le permet, un système post Na-ion sera envisagée à partir de la 2ème année. La thèse visera, entre autres, à identifier, en fonction des matériaux utilisés, s’il y a des réactions avant la déstabilisation de la cathode, si l’électrolyte solide réagit avec l’oxygène de la cathode ou avec le matériau anodique, et si ces réactions parallèles contribuent à une meilleure ou une moins bonne sécurité de la cellule.
Les trois années de la thèse se dérouleront de la manière suivante : la première année sera consacrée à la recherche bibliographique et à la caractérisation de la technologie sulfure. Suite au premier CSI et à l'identification de l'ampleur des travaux en cours sur le sulfure, la seconde année s’appliquera à la technologie sodium-ion ou sur l'approfondissement de la technologie sulfure. Finalement, la troisième année, en plus de la rédaction de la thèse, se focalisera plus précisément sur l’impact des matériaux ainsi identifiés sur la sécurité.
Extraction directe du lithium contenu dans les saumures par adsorption
Le développement de véhicules électriques offre une solution de transport plus respectueuse pour l‘environnement face aux défis climatiques actuels, mais nécessite néanmoins une quantité de lithium non négligeable. Cependant, la demande en lithium s’est fortement accentuée au cours de la dernière décennie et continuera de croître dans les années à venir. Afin de répondre à cette demande, les projets d'extraction de lithium se multiplient dans le monde entier. L'exploitation minière étant une solution très énergivore et polluante, d'autres sources de lithium, telles que les saumures ou l'eau de mer, sont actuellement à l'étude. Dans cette étude, nous nous concentrerons sur l'approche d'une extraction directe du lithium à partir de sources de saumure de différentes concentrations par adsorption/échange ionique. La première étape consistera à synthétiser et à caractériser une large gamme de matériaux allant des oxydes classiques (LMO, LTO, etc.) aux matériaux poreux hybrides fonctionnalisés (ZIF, MOF, etc.). Il est également prévu de mettre en forme ces matériaux à l'aide d'une extrudeuse afin d'améliorer leurs performances. Ces matériaux seront ensuite évalués dans des conditions statiques et dynamiques. Divers paramètres tels que la concentration en lithium, la présence d'autres cations et leur concentration seront également évalués et optimisés afin d’obtenir un procédé simple, efficace et sélectif. Les résultats de cette étude seront valorisés par le dépôt de brevets et la soumission d'articles scientifiques tout au long de la thèse.
Couplage entre transfert de masse et hydrodynamique diphasique : investigation expérimentale et validation/calibration de modèles
Dans le contexte de la transition énergétique et de la place cruciale du nucléaire dans un mix énergétique décarboné, comprendre, puis réfléchir à l’atténuation des potentielles conséquences de tout accident conduisant à la fusion, même partielle, du cœur d’un réacteur représente une direction de recherche impérative.
Lors d'un accident avec fusion du cœur, un bain de matière en fusion, appelée corium, peut se former en fond de cuve. Le bain de corium n'est pas homogène et peut se stratifier en plusieurs phases immiscibles. La composition du bain peut évoluer au cours du temps par assimilation progressive de matériaux. Avec l'évolution de la composition globale du corium les propriétés des différentes phases évoluent. Ceci peut induire un réarrangement vertical des phases. Lors de ce réarrangement des gouttes peuvent se former à partir d’une phase et traverser l'autre. L'ordre des phases ainsi que leurs mouvements sont de première importance, car ils influencent grandement les flux thermiques transmis à la cuve. Mieux comprendre ces phénomènes permet d'améliorer la sûreté des réacteurs actuels et futurs.
Des modélisations ont déjà été réalisées, mais elles manquent de validation et de calibration. Les expériences prototypiques (avec des matériaux réellement présents dans un réacteur) sont difficiles à mettre en place et à court terme aucune n'est prévue. Le présent sujet de thèse propose d’étudier expérimentalement, d’une part les transferts de masse entre une goutte et le milieu continu qu’elle traverse et d’autre part la formation des gouttes. Un système simulant à base d'eau est envisagé pour permettre une instrumentation locale. Le but est de valider et calibrer les modèles existants, voire en développer de nouveaux, avec en ligne de mire la possibilité de capitaliser ces résultats dans la plateforme logiciel PROCOR. Le dispositif expérimental serait construit et opéré au laboratoire LEMTA de l'université de Lorraine où le doctorant serait détaché.
La thèse sera principalement expérimentale avec un volet utilisation de codes pour leur calage, et validation, mais aussi la création de l’expérience. Cette thèse se déroulera en collaboration entre les laboratoires LMAG du CEA IRESNE Cadarache et LEMTA de l’université de Lorraine. Le doctorant sera basé au LEMTA à Nancy, où les expériences seront réalisées, tout en étant salarié CEA. Le doctorant profitera ainsi à la fois des compétences du LEMTA en ce qui concerne le développement de dispositifs expérimentaux, les transferts dans les fluides et la métrologie, ainsi que des compétences du LMAG en ce qui concerne la modélisation des transferts de masses, la mise en équation, la simulation numérique notamment dans le domaine des accidents nucléaires graves. Le doctorant interagira régulièrement avec les équipes du CEA qui suivront de près son travail. Il sera donc amené à régulièrement se rendre sur le site CEA de Carache.
Il sera intégré à un environnement dynamique composé de chercheurs et d'autres doctorants. Le candidat devra avoir des connaissances en phénomènes de transferts (de masses notamment), ainsi qu'une appétence certaine pour les sciences expérimentales.
Nouveaux concepts de réflecteurs de neutrons froids
Le CEA et le CNRS ont lancé une initiative de conception d’une nouvelle source de neutrons utilisant des accélérateurs de protons de basse énergie, le projet ICONE [1]. L’objectif est de construire une installation qui offrira une suite instrumentale d’une dizaine de spectromètres mise à la disposition de la communauté scientifique française et européenne. Parallèlement à ICONE, le LLB participe également à la R&D HiCANS autour de la construction d'une plateforme à Bilbao porteuse de collaborations européennes à mettre en place. Les expériences de diffusion neutronique nécessitent des neutrons thermiques et froids. La conception du modérateur est donc une pièce essentielle du projet pour maximiser les performances de la source.
Une piste d’amélioration des performances du modérateur est d’améliorer l’efficacité du réflecteur et plus spécifiquement le réflecteur de neutrons froids. Dans cette étude, nous proposons d’étudier les propriétés spécifiques de diffusion des neutrons froids sur des matériaux nanostructurés. En effet les neutrons froids ont de grandes longueurs d’ondes (> 0.4nm) et peuvent donc être diffusés de manière cohérente par des matériaux nanostructurés. L’efficacité de diffusion est non seulement démultipliée par les effets de diffusion cohérente mais il est potentiellement possible d’orienter cette diffusion si le matériau réflecteur est anisotrope. Cette maitrise de la direction de diffusion peut permettre d’encore augmenter la brillance du modérateur.
Une première partie du travail consistera à identifier les matériaux nanostructurés les plus prometteurs et à modéliser les performances de réflectivité des neutrons froids. Dans une deuxième étape, ces matériaux seront mis en forme et leurs propriétés seront caractérisées sur des appareils de diffusion neutronique auprès d’installations de diffusion neutronique telles que l’ILL à Grenoble ou le PSI en Suisse.
CONTEXT: instrumentation neutronique textures – contraintes pour ICONE
Le CEA et le CNRS ont lancé une initiative de conception d’une nouvelle source de neutrons utilisant des accélérateurs de protons de basse énergie, le projet ICONE. L’objectif est de construire une installation qui offrira une suite instrumentale d’une dizaine de spectromètres mise à la disposition de la communauté scientifique française et européenne. Le projet est actuellement dans la phase d’Avant-Projet Détaillé avec pour objectif d’affiner autant que possible tous les aspects techniques.
Nous proposons une thèse sur la modélisation et le développement d'un nouveau spectromètre de diffusion neutronique pour les mesures de textures et de contraintes dans les matériaux. Cette technique permet de sonder les contraintes résiduelles dans les matériaux après la phase d’usinage, de traitement thermique et/ou d’utilisation, et de mesurer l’anisotropie cristallographique d’alliages pour tirer parti des propriétés mécaniques induites.
Une partie du travail profitera du démarrage des spectromètres DREAM et MAGIC à ESS en Suède auxquels le LLB a participé à la construction pour que le candidat se familiarise avec les techniques de diffusion neutroniques en temps de vol (mesures et analyses des données).
Dans une deuxième partie du travail nous proposons d’implémenter des techniques de modulation statistique pour la construction d’un instrument, CONTEXT, sur ICONE qui permettront d’exploiter au mieux le potentiel des pulses longs d’ICONE. L’objectif sera de créer un jumeau numérique du futur instrument à l’aide de différents outils de simulation Monte-Carlo.
Génération assistée de noyaux de calculs complexes en mécanique du solide
Les lois de comportement utilisées dans les simulations numériques décrivent les caractéristiques physiques des matériaux simulés. À mesure que notre compréhension de ces matériaux évolue, la complexité de ces lois augmente.L'intégration de ces lois constitue une étape critique pour la performance et la robustesse des calculs scientifiques. De ce fait, cette étape peut conduire à des développements intrusifs et complexes dans le code.
De nombreuses plateformes numériques telles que FEniCS, FireDrake, FreeFEM, Comsol, proposent des techniques de génération de code à la volée (JIT, pour Just In Time) pour gérer différentes physiques. Cette approche JIT réduit considérablement les temps de mise en oeuvre de nouvelles simulations, offrant ainsi une grande versatilité à l'utilisateur. De plus, elle permet une optimisation spécifique aux cas traités et facilite le portage sur diverses architectures (CPU ou GPU). Enfin, cette approche permet de masquer les détails d'implémentation: une évolution de ces derniers est invisible pour l'utilisateur et est absorbée par la couche de génération de code.
Cependant, ces techniques sont généralement limitées aux étapes d'assemblage des systèmes linéaires à résoudre et n'incluent pas l'étape cruciale d'intégration des lois de comportement.
S'inspirant de l'expérience réussie du projet open-source mgis.fenics [1], cette thèse vise à développer une solution de génération de code à la volée dédiée au code de mécanique des structures de nouvelle génération Manta [2] développé par le CEA. L'objectif est de permettre un couplage fort avec les lois de comportement générées par MFront [3], améliorant ainsi la flexibilité, les performances et la robustesse des simulations numériques.
Le doctorant recherché devra posséder une solide culture numérique et un goût prononcé pour la simulation numérique et la programmation en C++. Il devra faire preuve d’autonomie et être force de proposition. Le doctorant bénéficiera d'un encadrement de la part des développeurs des codes MFront et Manta (CEA), ainsi que des développeurs du code A-Set (collaboration entre Mines-Paris Tech, Onera, et Safran). Cette collaboration au sein d'une équipe multidisciplinaire offrira un environnement stimulant et enrichissant pour le candidat.
De plus, le travail de thèse sera valorisé par la possibilité de participer à des conférences et de publier des articles dans des revues scientifiques à comité de lecture, offrant une visibilité nationale et internationale aux résultats de la thèse.
Le doctorat se déroulera au CEA Cadarache, dans le sud est de la France, au sein du département d'études des combustibles nucléaires de l'Institut REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE) [4]. Le laboratoire d'accueil est le LMPC dont le rôle est de contribuer au développement des composants physiques de la plateforme numérique PLEIADES [5], co-développée par le CEA et EDF.
[1] https://thelfer.github.io/mgis/web/mgis_fenics.html
[2] MANTA : un code HPC généraliste pour la simulation de problèmes complexes en mécanique. https://hal.science/hal-03688160
[3] https://thelfer.github.io/tfel/web/index.html
[4] https://www.cea.fr/energies/iresne/Pages/Accueil.aspx
[5] PLEIADES: A numerical framework dedicated to the multiphysics and multiscale nuclear fuel behavior simulation https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306454924002408