Développement de matériaux intelligents pour les applications bas carbone

Le sujet de cette thèse porte sur le développement de matériaux intelligents pour des applications bas carbone, en mettant l'accent sur la fabrication additive métallique. Cette technologie a révolutionné les méthodes de production industrielles en permettant la création de pièces complexes et légères, tout en garantissant une précision et une flexibilité accrues. Cela est particulièrement pertinent dans des secteurs exigeants comme l'aérospatiale, l'automobile et le nucléaire, où la fiabilité est primordiale. En intégrant des capteurs optiques dans des structures métalliques grâce à des procédés de fabrication additive, il est possible de réaliser une surveillance en temps réel de paramètres critiques tels que la contrainte, la température et les doses de rayonnement. Cela permet d'améliorer la sécurité et l'efficacité des opérations d'exploitation et de maintenance. La thèse vise à relever les défis liés à la surveillance et au contrôle des conditions des infrastructures, en garantissant une surveillance continue des structures et un contrôle précis des paramètres environnementaux. De plus, l'étude s'intéresse à la durabilité des matériaux et à la manière dont les capteurs intégrés peuvent fonctionner dans des environnements hostiles. Enfin, cette recherche ambitionne de développer des solutions pour un assainissement et un démantèlement efficaces et sécurisés.

Analyse expérimentale et numérique des interactions fluide-structure dans la propagation des ondes de raréfaction à travers des structures complexes des réacteurs à eau pressurisée

L'accident de perte de réfrigérant primaire (APRP) dans les réacteurs à eau pressurisée (REP) entraîne des phénomènes transitoires rapides, tels que la propagation d'ondes de raréfaction dans les structures internes du réacteur. Ces ondes provoquent des charges de pression transitoires entre différentes zones, comme le cœur du réacteur et la zone de by-pass, ce qui exerce des contraintes sur le cloisonnement. La déformation de cette structure critique peut compromettre l'intégrité structurelle du réacteur et compliquer la manipulation des assemblages de combustible, notamment leur retrait après l'accident.

Le principal objectif scientifique est de développer, implémenter et valider de nouveaux modèles numériques permettant de simuler de manière plus précise la propagation des ondes de raréfaction à travers des obstacles complexes. L’état de l’art actuel repose sur des modèles simplifiés, validés uniquement pour des configurations simples comme les plaques à simple orifice (diaphragmes). Cependant, il existe un besoin d’élargir ces modèles à des géométries plus complexes, telles que les plaques à trous multiples, en utilisant différents méthodes numériques.
L’élaboration d’un modèle de porosité pour représenter les assemblages combustibles est également cruciale. Les résultats attendus seront validés expérimentalement et ont des applications directes pour les partenaires industriels EDF et Framatome, renforçant l'intérêt industriel de cette recherche.

La thèse adoptera une approche combinée, à la fois expérimentale et numérique. L’utilisation de la plateforme MADMAX permettra de tester différents obstacles complexes et de recueillir des données expérimentales détaillées grâce à des capteurs spécialisés. Ces données serviront à valider les modèles numériques développés dans le logiciel EUROPLEXUS. De plus, les simulations incluront des approches novatrices telles que un nouveau modèle de porosité pour les structures internes des réacteurs. La participation à des conférences internationales et la publication des résultats sont prévues pour assurer la diffusion scientifique des avancées.

La thèse se déroulera au laboratoire DYN du CEA Paris-Saclay, qui dispose d’équipements expérimentaux uniques, comme la plateforme MADMAX, et d’une forte expertise en modélisation numérique. Plusieurs collaborations industrielles (EDF, Framatome) et académiques offriront un environnement riche pour le doctorant, avec des échanges réguliers au sein de réseaux internationaux.

Le candidat idéal devra avoir de solides compétences en mécanique des fluides, dynamique des structures, modélisation numérique (éléments finis, volumes finis), et en programmation. Une première expérience avec des outils comme EUROPLEXUS sera un plus. Un stage de M2 pourra être proposé pour familiariser le candidat avec les méthodes et outils utilisés dans cette thèse.

Cette thèse permettra au doctorant d’acquérir des compétences hautement spécialisées en interactions fluide-structure, modélisation numérique et expérimentation dans un contexte industriel. Ces compétences sont très recherchées dans les secteurs de l’énergie, de l’aéronautique et des technologies de simulation avancée, ouvrant la voie à des carrières dans la recherche appliquée ou l’ingénierie dans l’industrie.

Couplage entre transfert de masse et hydrodynamique diphasique : investigation expérimentale et validation/calibration de modèles

Lors d'un accident avec fusion du cœur, un bain de matière en fusion, appelée corium, peut se former en fond de cuve. La composition du bain peut évoluer au cours du temps. Le bain de corium n'est pas homogène et peut se stratifier en plusieurs phases immiscibles. Avec l'évolution de la composition globale du corium, les propriétés des différentes phases évoluent. Ainsi l'ordre de stratification vertical des phases peut changer, ce qui induit un réarrangement vertical des phases. Lors de ce réarrangement une phase traverse l'autre sous forme de gouttes. 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 permets d'améliorer la sûreté et le design autant des réacteurs actuels que futures.

Des premières modélisations ont déjà été réalisées, mais elles manquent de validation et de calibration. Les expériences prototypiques sont difficiles à mettre en place et à court terme aucune n'est prévue. Le présent sujet de thèse propose de combler ce manque en réalisant une étude expérimentale du phénomène à l'aide d'un système simulant à base d'eau permettant une instrumentation locale et de grandes campagnes d'essai. Le but est de valider, 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, qui est utilisée pour réaliser des estimations de probabilité de percement de la cuve d'un réacteur. Le dispositif expérimental serait construit et opéré au laboratoire LEMTA de l'université de Lorraine où le doctorant serait détaché. En termes d'expériences, deux cas seront à étudier, le cas goutte seule, et le cas stratifié avec formation de goutte via instabilités de Rayleigh-Taylor.

La thèse sera principalement expérimentale avec un volet utilisation de code pour le calage, la validation et pourra inclure un volet modélisation. Elle se déroulera dans son intégralité au laboratoire LEMTA à Nancy. Le doctorant profitera ainsi des compétences du LEMTA en ce qui concerne le développement de dispositifs expérimentaux simulants, les transferts dans les fluides et la métrologie. 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.

Compréhension locale de l’interface corium-béton par expérimentation

Dans le contexte de la transition énergétique et de la place cruciale du nucléaire dans un mix énergétique décarboné, comprendre, puis atténuer les conséquences de tout accident conduisant à fusion, même partielle, du cœur d’un réacteur représente une direction de recherche impérative.
Lors d’un accident grave avec fusion du cœur, l’amalgame de matériaux issus de la fusion du cœur, ou corium, peut interagir avec le béton du radier de la centrale. La méconnaissance des phénomènes physiques locaux et interfaciaux lors de l’interaction corium-béton (ICB) a conduit à l’élaboration de différents outils internationaux de simulation. Aucun n’a réussi à expliquer les récentes observations sur la centrale accidentée de Fukushima Daiichi. Il s’avère donc crucial d’améliorer les outils de simulation de l’ICB.
Ainsi, ce sujet de thèse a pour objet l’étude expérimentale, détaillée et locale, de l’interface corium/béton avec du corium prototypique (uranium appauvri). Pour cela, le candidat élaborera un dispositif d’essai qui sera introduit dans le four inductif VITI de la plateforme PLINIUS dédiée à l’étude des accidents graves sur le centre de Cadarache. Après la qualification du dispositif expérimental, des essais locaux d’interaction corium béton dans VITI seront réalisés sur différents types de béton (dont un échantillon de Fukushima) et avec différents coriums, permettant une approche incrémentale par effets séparés. L’ablation sera caractérisée via la perte de masse et le relâchement d’hydrogène. L’interface sera aussi caractérisée après rapide retrait du corium. Les échantillons seront également étudiés aux rayons X (e.g. tomographie). Suivant l’avancement des travaux et la compréhension de la phénoménologie de l’ICB, un modèle pourra être développé, puis intégré dans un outil de simulation.
Le travail de thèse se déroulera conjointement dans les laboratoires d’expérimentation et de modélisation des accidents graves de l’institut IRESNE de Cadarache, dans un environnement de recherche au meilleur niveau international pour l’étude des phénomènes multiphysiques à très haute température. Ce travail pourra aussi s’enrichir des travaux recherche réalisés dans le cadre de l’ANR IMMOC, en partenariat avec des universitaires (CNRS Laboratoire Navier, AMU-CNRS Madirel…).

Caractérisation expérimentale et simulation numérique de la rupture d’oxydes intergranulaires : Application à la corrosion sous contraintes assistée par l’irradiation

Les alliages métalliques utilisés dans les applications industrielles peuvent former des couches d’oxydes en présence d’un environnement corrosif. Ces oxydes peuvent être répartis en surface et / ou se localiser au niveau des joints de grains. Dans ce dernier cas, les joints de grains oxydés peuvent rompre de manière fragile sous chargement mécanique, et potentiellement conduire à la rupture intergranulaire du matériau. Ce mécanisme est par exemple un scénario possible de la rupture de vis en acier inoxydable austénitique utilisées dans les Réacteurs nucléaires à Eau Pressurisée (REP). Sous l’effet du chargement mécanique, de l’irradiation par les neutrons et de la présence de l’environnement corrosif, ces vis peuvent se fissurer par un phénomène appelé corrosion sous contraintes assistée par l’irradiation. La modélisation de ce phénomène passe d’une part par la détermination des propriétés de rupture des oxydes intergranulaires, et d’autre part par la prise en compte des couplages entre fissuration, oxydation et irradiation. Dans cette thèse, une approche originale qui combinera expériences et simulations numériques est proposée. Dans un premier temps la mise en œuvre de simulations numériques basées sur l’approche variationnelle de la rupture sera abordée pour concevoir des expériences de micromécanique de type micro-poutres visant d’une part à déterminer les propriétés de rupture des oxydes de manière fiable et d’autre part à étudier les couplages entre fissuration, oxydation et irradiation. En particulier, le couplage fissuration – oxydation préfigurant la transition entre amorçage et propagation sera étudié en détail. Dans un second temps, ces expériences seront réalisées sur des aciers modèles et d’intérêt industriel, puis interprétées à l’aide des simulations numériques. L’ensemble des résultats obtenus sera finalement incorporé dans des simulations d’agrégats
polycristallins afin d’évaluer la possibilité de prédire de manière quantitative la fissuration intergranulaire dans
le cadre du phénomène de corrosion sous contraintes assistée par l’irradiation.

Modélisation de la condensation en film pour les systèmes passifs: de l'expérimentation aux outils CFD et système

Avec leur fiabilité accrue, les systèmes passifs sont aujourd’hui envisagés dans les réacteurs innovants. En particulier, le SAfety COndenser (SACO), permet d’extraire la puissance résiduelle de façon passive vers le circuit secondaire. La vapeur provenant du Générateur de Vapeur (GV) est condensée dans un échangeur vertical immergé, puis les condensats retournent au GV par circulation naturelle. Il apparait alors primordial de prédire précisément la condensation dans les outils de calcul scientifique.

CATHARE-3 est le code thermo hydraulique à l’échelle système de référence en France. Ce dernier est utilisé pour les études de sûreté des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP). Il utilise un modèle de condensation en film validé sur les tests à effets séparés COTURNE. Représentatifs de la condensation en mode caloduc dans les REP, ils présentent des écoulements majoritairement gouvernés par la gravité et, en partie, par le frottement interfacial. Cependant, ce modèle standard n’est plus valide pour le domaine de fonctionnement du SACO, dominé lui par le frottement interfacial.

Aussi, les travaux récents sur le SACO ont montré une surestimation systématique de la condensation par CATHARE-3. L’objectif principal de la thèse est d’améliorer le modèle de CATHARE-3, en s’appuyant d’une part sur des données expérimentales nouvelles (projet européen EASI-SMR) et d’autre part en utilisant des méthodes de remontée d’échelle à partir de neptune_cfd (code de calcul CFD).

Modélisation de la condensation et solidification des gaz de l’air sur une paroi froide : application à la simulation de la perte de vide d’isolement d’un réservoir d’hydrogène liquide

Une utilisation de plus en plus répandue de l’hydrogène liquide (LH2), notamment pour la mobilité décarbonée, soulève des enjeux en matière de sûreté étant donné son caractère fortement inflammable. Un des accidents majeurs des systèmes cryogéniques est la pénétration d'air suite à une rupture de l'enveloppe externe d'un réservoir isolé sous vide. Lors d’un tel événement, les gaz de l'air se liquéfient et se solidifient sur les parois froides, provoquant un fort apport de chaleur et une brutale surpression du système. Les organes de protection et la conduite de décharge doivent être dimensionnés de manière à évacuer le fluide cryogénique en toute sûreté et éviter tout risque d'explosion. L’objectif de cette thèse est de développer une modélisation permettant de simuler ce genre de scénario avec le code CATHARE. Un effort particulier sera fourni pour modéliser l’échange de chaleur par liquéfaction et solidification à travers la paroi du réservoir. Ces travaux s’appuieront notamment sur la campagne expérimentale de perte de vide d’isolement qui va être réalisée en LH2 par le CEA dans le cadre du projet ANR ESKHYMO. Par ailleurs, l’usage d’un outil de simulation à échelle locale comme neptune_cfd pourra aider à la construction de modèles dans CATHARE par remontée d’échelle. La méthodologie développée pourra finalement être utilisée pour la simulation d’un système représentatif d’une installation industrielle.

Modélisation multiphysique d'un réacteur de métallothermie chauffé par induction bifréquence

Le recyclage de l’uranium extrait du combustible usé (uranium de retraitement ou URT), présente un fort intérêt stratégique tant sur le plan de la fermeture et de l’économie du cycle que sur celui de la souveraineté nationale. La France s’est engagée dans le développement d’une filière de retraitement/valorisation de cet URT impliquant toute une chaine de production s’articulant autour de la technologie de l’enrichissement laser SILVA.
Dans ce contexte, le CEA est en charge de la mise au point de l’ensemble des procédés de cette chaine, notamment des étapes de conversion de l’oxyde d’uranium en uranium métal requis pour l’enrichissement laser. Pour ce besoin, le Laboratoire d'étude des technologies Numériques et des Procédés Avancés (LNPA) étudie la transposition du procédé historique de métallothermie vers un réacteur de type creuset froid. Ce four inductif bifréquence doit notamment assurer la fusion d’une charge biphasique constituée d’un laitier fluorure et d’un métal produit in-situ par la réaction métallothermique.
Adossées à un programme pluriannuel de développement technologique sur des installations pilotes inactives échelle réduite, des études de modélisation numérique du réacteur sont entreprises afin de consolider le changement d’échelle de travail et de permettre l’optimisation des paramètres du système avant déploiement de la technologie en actif sur de l’uranium appauvri pour des essais de validation. L’objectif du travail de thèse proposé est d’assurer le développement du modèle multiphysique magnéto-thermo-hydraulique (MTH) du four de métallothermie en creuset froid.

fragmentation d'un jet liquide contre un obstacle : application aux feux de sodium pulvérisés

Les feux de sodium pulvérisés (FSP), engendrés par une fuite dans une canalisation sodium, constituent un risque à considérer pour la sûreté des RNR-Na. Les principales conséquences de ces feux sont la montée en pression et en température des locaux impactés ainsi que la génération d’un terme source chimique susceptible d’être relâché dans l’environnement.
Le phénomène clé de l’étude des FSP est la fragmentation du jet de sodium liquide contre un obstacle (paroi verticale ou plafond). Ce mode de fragmentation doit être précisément examiné en portant une attention particulière sur la population de gouttes générée lors de l’impact.
Pour cela, le LESC (CEA-Cadarache) prépare une boucle expérimentale mettant en jeu un jet d’eau impactant une surface horizontale ou verticale. Le travail de thèse comprendra :
- La réalisation des essais de fragmentation de jet en faisant varier le diamètre du jet, sa vitesse et son orientation ;
- L’analyse des images de deux caméras rapides à l’aide d’un logiciel CEA et d’extraire les distributions en taille et en vitesse des gouttes ;
- le proposition d'un modèle représentant la fragmentation du jet sur obstacle et la population de gouttes résultante ;
- l'implémentation de ce modèle dans le logiciel CEA de CFD canoP ;
- la validation du modèle à l’aide de l’analyse des images des essais.

Effet d’hétérogénéités structurelles sur les écoulements de fluide à travers une paroi en béton armé

Le bâtiment réacteur représente la troisième barrière de confinement dans les centrales nucléaires. Il a pour rôle de protéger l’environnement en cas d’accident hypothétique en limitant les rejets vers l’extérieur. Sa fonction est donc étroitement liée à son étanchéité qu’il doit conserver durant toute sa durée de fonctionnement. Classiquement, l’estimation du taux de fuite s’appuie sur une bonne connaissance de l’état hydrique et des potentiels désordres mécaniques, associés à des lois de transfert (comme la perméabilité) dans une démarche de simulation chaînée (thermo-)hygro-mécanique. Si le comportement mécanique de la structure est aujourd’hui globalement maîtrisé par le recours à des outils de simulation avancés, des progrès restent nécessaires pour améliorer la compréhension et la quantification des écoulements. C’est particulièrement le cas en présence d’hétérogénéités (fissures, nid de cailloux, reprise, armatures, câbles, etc.) qui représentent autant de situations pouvant perturber localement la perméabilité. C’est dans ce cadre que se place le sujet de thèse proposé. Il s’agira d’améliorer la compréhension et la représentation des écoulements à travers une structure en béton armé en s’appuyant sur une démarche combinant essais expérimentaux et modélisation. Une première analyse permettra de définir un plan d’expérience optimisé selon plusieurs configurations (chemins de fuite, type d’écoulement, température, saturation…) qui sera ensuite mise en œuvre durant la thèse. Les résultats seront analysés afin de caractériser empiriquement l’influence du chemin de fuite sur les lois macroscopiques classiquement utilisées (loi de Darcy). Une approche de simulation plus fine sera ensuite développée, en s’appuyant la méthode d’éléments finies. L’objectif sera de reproduire les résultats expérimentaux et les étendre au comportement des enceintes de confinement, améliorant ainsi les outils de modélisation actuellement disponibles.