Effet de la radiolyse de l’eau sur le flux d’absorption d’hydrogène par les aciers inoxydables austénitiques en réacteur nucléaire à eau pressurisée
Dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisée, les éléments constitutifs du cœur sont exposés à la fois phénomènes de corrosion en milieu primaire, de l’eau pressurisée sous 150 bar et 300 °C environ, et à un flux neutronique. Les aciers inoxydables du cœur subissent des dommages dus à la combinaison du bombardement neutronique et de la corrosion. De plus, la radiolyse de l’eau peut impacter les mécanismes et cinétiques de corrosion, la réactivité du milieu et a priori les mécanismes et cinétique d’absorption d’hydrogène par ces matériaux. Ce dernier point, non étudié encore, peut s’avérer problématique car l’hydrogène en solution solide dans l’acier peut conduire à la modification (et la dégradation) des propriétés mécaniques de l’acier et induire une fissuration prématurée de la pièce. Cette thèse très expérimentale sera centrée sur l’étude de l’impact des phénomènes de radiolyse sur les mécanismes de corrosion et de prise d’hydrogène d’un acier inoxydable 316L exposé au milieu primaire sous irradiation. L’hydrogène sera tracé par le deutérium, et l’irradiation neutronique simulée par irradiation électronique sur accélérateurs de particules. Une cellule perméation existante sera reconfigurée pour permettre de mesurer in operando par spectrométrie de masse le flux de perméation de deutérium à travers un échantillon exposé au milieu primaire simulé en conditions de radiolyse. La distribution de l’hydrogène dans le matériau, ainsi que la nature des couches d’oxydes formées, seront analysées finement à l’aide des techniques de pointe disponibles au CEA et dans les laboratoires partenaires. Le(a) doctorant(e) devra in fine (i) identifier les mécanismes en jeu (corrosion et entrée d’hydrogène), (ii) en estimer les cinétiques et (iii) modéliser l’évolution du flux d’hydrogène dans l’acier fonction de l’activité de la radiolyse.
Etude de l’influence de la microstructure d’un acier 316L élaboré par procédé L-PBF sur ses propriétés mécaniques : caractérisation et modélisation du comportement en fluage et en fatigue
Les recherches sur la fabrication additive pour l'industrie nucléaire montrent que la production de composants en acier austénitique 316L par fusion laser sur lit de poudre (L-PBF) présente des défis techniques, notamment le contrôle des procédés, les propriétés des matériaux, leur qualification et la prédiction de leur comportement mécanique en conditions de service. Les propriétés finales diffèrent des procédés traditionnels, présentant souvent une anisotropie qui remet en question les normes de conception existantes.
Ces différences sont liées à la microstructure unique résultant du procédé L-PBF. La maîtrise de la chaîne de fabrication, de la consolidation à la qualification, nécessite une compréhension des interactions entre les paramètres du procédé, la microstructure et les propriétés mécaniques.
L'objectif de la thèse est d'étudier les relations entre la microstructure, la texture et les propriétés mécaniques de l'acier 316L fabriqué par L-PBF, sous sollicitations statiques ou cycliques. Cela comprend l'influence sur les propriétés de fluage et de fatigue, et le développement d'un modèle de prévision du comportement mécanique. A partir d'échantillons d'acier 316L avec des microstructures spécifiques consolidés par L-PBF, l'étude proposée vise à établir des liens entre la microstructure et les propriétés mécaniques pour mieux prédire le comportement en service.
Réflexions frontales des ondes de combustion à grande vitesse : etudes expérimentales, numériques et mesures de prévention.
Cette thèse se concentre sur l'analyse de la sécurité liée à l'hydrogène dans les industries, notamment en cas d'accidents où l'hydrogène est libéré ou généré, comme dans les centrales nucléaires. L'intérêt pour la sécurité de l'hydrogène a augmenté avec l'utilisation de piles à combustible pour la mobilité. Dans des bâtiments compartimentés, des atmosphères inflammables peuvent se former, menant à des explosions compromettant la sécurité. La dynamique des flammes est influencée par les conditions aux limites, notamment les géométries confinées qui accélèrent les flammes. Ce phénomène peut entraîner une transition déflagration-détonation, provoquant des dégâts importants aux structures via des ondes de choc et de combustion. Des recherches montrent que certaines configurations géométriques et mélanges d'hydrogène produisent des pressions plus élevées, même avec de faibles concentrations en hydrogène. Trois questions principales sont soulevées : l'influence de la géométrie sur la pression et l'impulsion, la concentration optimale d'hydrogène, et la possibilité d'atténuer ces effets avec des revêtements acoustiques absorbants. Pour répondre à ces questions, des expériences et simulations seront menées pour comprendre et modéliser ces phénomènes, fournissant des outils pratiques pour les ingénieurs en sécurité.
Simulation numérique polycristalline du comportement mécanique des gaines des crayons combustibles des réacteurs à eau pressurisée
Les crayons combustibles des réacteurs nucléaires à eau pressurisée sont constitués de pastilles d’oxyde d’uranium empilées dans des tubes en alliages de zirconium. En réacteur, ces matériaux subissent des sollicitations mécaniques conduisant à leur déformation irréversible. Afin de garantir la sureté et augmenter la performance des réacteurs, ces déformations doivent être modélisées et prédites de la façon la plus précise possible. De façon à encore améliorer la prédictivité des modèles, le caractère polycristallin de ces matériaux ainsi que les mécanismes physiques de déformation doivent être pris en compte. C’est l’objectif de cette étude qui consiste à développer un modèle numérique multi-échelle à base physique de la gaine des crayons combustible.
Le comportement mécanique des matériaux métalliques est généralement modélisé en considérant ceux-ci comme homogènes. Or, les phénomènes de plasticité cristalline à l’échelle des grains ainsi que le caractère polycristallin de ces matériaux pilotent au premier ordre leur comportement. Afin de prendre en compte leur caractère hétérogène, des modèles polycristallins, auto-cohérents en champ moyen, basés sur la théorie de l’homogénéisation des matériaux hétérogènes sont utilisés depuis de nombreuses années. Récemment, un modèle polycristallin, développé dans un cadre linéaire et isotherme, a pu être couplé à des calculs par éléments finis 1D axisymétriques pour simuler la déformation des gaines en réacteur. Un historique de chargement mécanique complexe, imitant les sollicitations subies par la gaine, a pu être simulé.
L’objectif de ce travail de thèse est d’étendre le domaine d’application de ce modèle notamment en l’appliquant à un cadre non-linéaire afin de simuler des sollicitations à forte contrainte, de l’étendre à des sollicitations anisothermes mais également de réaliser des simulations par éléments finis en 3D avec en chaque élément et chaque pas de temps une simulation par le modèle polycristallin. Ces développements théoriques et numériques seront finalement appliqués à la simulation du comportement des crayons combustibles en situation de rampe de puissance grâce à son intégration à une plateforme logiciel utilisée pour des applications industrielles. Cette approche permettra de mieux évaluer les marges disponibles pour faire fonctionner le réacteur de façon plus flexible, permettant ainsi de s’adapter à l’évolution du mix énergétique et cela en toute sécurité.
Influence de la densité d'ionisation dans l'eau sur des solutés fluorescents. Application à la Détection de rayonnements alpha
La localisation et l’identification rapide, à distance, des sources d’émission de particules alpha et beta sur les surfaces ou des cavités humides ou dans des solutions, dans des installations nucléaires en démantèlement, ou à assainir, est un véritable enjeu.
Le projet de thèse proposé vise à développer un concept de détection à distance d'une lumière de fluorescence issue de processus de radiolyse de l'eau sur des molécules ou des nano-agents. La caractérisation temporelle par des mesures de durées de vie de fluorescence permettra d’attribuer la détection à un type de rayonnement, dépendant de son transfert d'énergie linéique (TEL). Dans le pic de Bragg des rayonnements alpha où le TEL est maximal, la densité d'ionisation due à ce TEL influence la durée de vie de fluorescence. Cependant, des effets de débits de dose seront aussi à considérer.
Des molécules et nanoparticules candidates à former des produits fluorescents et sensibles à la densité d’ionisation et de radicaux produits dans les traces à temps très courts, seront identifiées par un travail guidé de bibliographie, puis testées et comparées par des mesures. Les mesures spectrales (absorption et fluorescence) et des durées de vie de fluorescence des espèces fluorescentes correspondantes seront réalisées en utilisant la méthode TCSPC (Time Corelated Single Photon Counting) multicanale (16 canaux). Des faisceaux d'ions ou des particules alpha provenant de sources scellées seront utilisés pour faire une preuve de concept dans le cadre du programme CEA assainissement/démantèlement.
Modélisation thermo-hydraulique d’un générateur de vapeur et propagation d’espèces chimiques
Les générateurs de vapeur sont des composants essentiels des réacteurs nucléaires dont la fonction principale est l’échange de chaleur. Les espèces chimiques présentes dans les générateurs de vapeur sont à l’origine de nombreux phénomènes parasites (colmatage, encrassement, dépôt de boue…). La simulation numérique du transport des espèces, prenant en compte la migration d’espèces chimiques et les échanges entre espèces, à la fois intra- et inter-phasiques, permettra une meilleure connaissance et une meilleure gestion de ces problèmes. La résolution numérique des systèmes de transport d’espèces présente de réelles difficultés notamment la gestion de l’apparition et de la disparition totale de certaines espèces, de forts taux de vide, ainsi que des temps de calcul rapidement excessifs.
Tout en se basant sur le nouveau code pour les composants nucléaires développé au STMF, la thèse adressera les trois principales problématiques scientifiques suivantes :
• En amont, l’analyse de méthodes numériques permettant en particulier la gestion de l’évanescence, comme mentionné plus haut, et la modélisation thermo-hydraulique à forts taux de vide. On s’appuiera pour cela sur les schémas numériques PolyMAC et PolyVEF, déjà implémentés dans le code composant.
• La modélisation physique d’un générateur de vapeur dans le nouveau code composant, via l’ajout (en C++) des corrélations spécifiques aux générateurs de vapeur, la complétion des lois d’état déjà disponibles, ….
• La détermination des espèces chimiques majeures à transporter, afin de pouvoir prendre en compte à la fois la thermo-hydraulique mais aussi la chimie. Le couplage algorithmique entre la thermo-hydraulique et la chimie, prenant en compte une rétroaction, étant l’objectif à long terme.
Tout en bénéficiant de la parallélisation existante du code composant, la modélisation thermo-hydraulique et chimique se fera en tenant compte des contraintes sur les temps de calcul.
Modélisation chimie-mécanique du couplage entre carbonatation, corrosion des armatures et fissuration d’un milieu cimentaire
La corrosion des armatures est une des principales causes de dégradation prématurée des infrastructures en béton, y compris dans le domaine nucléaire où le béton est largement utilisé dans les enceintes de confinement et les structures de stockage de déchets. La carbonatation due à la pénétration du CO2 dans le béton entraîne une baisse du pH de la solution porale, favorisant la corrosion des armatures. Cette corrosion entraine la formation de produits expansifs pouvant provoquer la fissuration du matériau. Le travail de thèse, proposé dans le cadre d’une collaboration au sein d’un projet européen entre le CEA de Saclay, l'École des Mines de Paris - PSL et l'IRSN, vise à développer un modèle numérique pour simuler ces phénomènes. Le modèle combine un code de transport réactif (Hytec) et un code d'éléments finis (Cast3M) pour étudier les effets locaux de la corrosion par carbonatation sur la fissuration du béton. Ce projet s’appuiera sur des travaux expérimentaux réalisés en parallèle permettant de recueillir des données pour identifier les paramètres et valider le modèle. La première partie du travail se concentrera sur la modélisation de la carbonatation des matériaux cimentaires en conditions insaturées, tandis que la deuxième portera sur la corrosion des armatures due à la baisse de pH induite par cette carbonatation. Le modèle décrira la croissance des produits de corrosion et leur expansion induisant des contraintes dans le béton et une possible microfissuration.
Ce projet de recherche s'adresse à un doctorant souhaitant développer ses compétences en science des matériaux, avec une forte composante en modélisation et simulations numériques multi-physiques et multi-échelles. La thèse sera réalisée principalement au CEA de Saclay et à l'École des Mines de Paris – PSL (Fontainebleau).
Amélioration de la prédictivité des simulations des grandes échelles par apprentissage machine guidé par des simulations haute fidélité
Cette thèse vise à explorer l'application des techniques d'apprentissage machine pour améliorer la modélisation de la turbulence et les simulations numériques en mécanique des fluides. On s’intéresse plus spécifiquement à l’application des réseaux de neurones artificiels (ANN) pour la simulation des grandes échelles. Cette dernière est une approche de modélisation qui se concentre sur la résolution directe des grandes structures turbulentes, tout en modélisant les petites échelles par un modèle sous-maille. Elle requiert de résoudre un certain ratio de l’énergie cinétique totale. Néanmoins, ce ratio peut être difficilement atteignable pour des simulations industrielles en raison du fort coût de calcul, conduisant à des simulations sous-résolues. On souhaite améliorer ces dernières en orientant les travaux selon deux axes principaux : 1) Utiliser des ANN pour établir des modèles des modèles sous-mailles génériques qui surpassent les modèles analytiques et compensent la grossièreté de la discrétisation spatiale ; 2) Entraîner des ANN pour apprendre des modèles de paroi. L’un des principaux défis à relever est la capacité des nouveaux modèles à généraliser correctement dans des configurations différentes de celles utilisées lors de l'entraînement. Ainsi, la prise en compte des différentes sources et quantification des incertitudes joue un rôle vital dans l’amélioration de la fiabilité et de la robustesse des modèles issus de l'apprentissage machine.
Contrats HW/SW pour l’analyse de robustesse aux fautes de processeurs open-source
Cette thèse se concentre sur la cybersécurité des systèmes embarqués, en particulier sur la vulnérabilité des processeurs et des programmes face aux attaques par injection de fautes. Ces attaques perturbent le fonctionnement normal des systèmes, permettant aux attaquants d'exploiter des failles pour accéder à des informations sensibles. Bien que des méthodes formelles aient été développées pour analyser la robustesse des systèmes, elles se limitent souvent à des analyses séparées du matériel et des logiciels, négligeant l'interaction entre les deux.
Le travail proposé vise à formaliser des contrats entre le matériel et le logiciel (HW/SW) spécifiquement pour l'analyse de sécurité contre les injections de fautes. En s'appuyant sur une approche de partitionnement matériel, cette recherche cherche à atténuer les problèmes de scalabilité liés à la complexité des modèles de microarchitecture. Les résultats attendus incluent le développement de techniques et d'outils permettant une vérification efficace de la sécurité des systèmes embarqués, ainsi que la création de contrats qui faciliteront l'évaluation de la conformité des implémentations matérielles et logicielles. Cette approche pourrait également réduire le temps de mise sur le marché des systèmes sécurisés.
Sécurisation cryptographique d’enclaves de processeurs RISC-V avec CHERI
CHERI (Capability Hardware Enhanced RISC Instructions) est une solution permettant de sécuriser le processeur contre les fuites spatiales et temporelles de mémoire en transformant tout pointeur en capacité définissant de façon claire les bornes d’accès aux données ou instructions adressées.
Dans cette thèse, nous proposons sur un processeur d’applications RISC-V d’enrichir CHERI et ses possibilités d’intégrité de flot de contrôle avec une protection des instructions allant jusqu’à leur exécution contre tout type de modifications. Dans un second temps, sur la base d’un chiffrement authentifié de la mémoire, nous étudierons la possibilité avec CHERI de définir des enclaves sécurisées permettant une isolation cryptographique entre processus. Le processeur sera modifié pour que chaque processus soit chiffré avec sa propre clé et puisse avoir un cycle de vie sûr. L’ensemble des clés devra être protégé efficacement dans le matériel.
Contact : olivier.savry@cea.fr