Implémentation d’algorithmes parallèles sur GPU pour les simulations du combustible nucléaire sur supercalculateurs exaflopiques
Dans un contexte où le calcul haute performance (HPC) est en perpétuelle évolution, le design des nouveaux supercalculateurs tend à intégrer toujours plus d’accélérateurs ou de cartes graphiques (GPUs), qui fournissent l’essentiel de la puissance de calcul de la plupart des supercalculateurs actuels. En raison de leurs différences architecturales par rapport aux unités centrales de calcul (CPUs) et des environnements logiciels en constante évolution, les GPUs posent de profonds défis de programmation. Une utilisation efficace de leur puissance de calcul demande une refonte des algorithmes et logiciels de simulation existants pour atteindre un parallélisme massif.
Le CEA a développé la plateforme de calcul PLEIADES dédiée à la simulation du comportement des combustibles, depuis la fabrication jusqu’au comportement en réacteur, puis lors du stockage. Elle inclut une parallélisation en mémoire distribuée MPI permettant une parallélisation sur plusieurs centaines de cœurs. Cette plateforme répond aux exigences des partenaires du CEA que sont EDF et Framatome, mais il est nécessaire de l’adapter pour les nouvelles infrastructures de calcul. Proposer une solution flexible, portable et performante pour les simulations sur des supercalculateurs équipés de GPUs est d'un intérêt majeur afin de capturer des physiques toujours plus complexes sur des simulations comportant des domaines de calcul toujours plus grands.
Dans ce cadre, la thèse visera d’élaborer puis évaluer différentes stratégies de portage de noyaux de calculs sur GPU ainsi que l’utilisation de méthodes de répartition dynamique de la charge adaptés aux supercalculateurs GPUs actuels et futurs. Le candidat s’appuiera sur des outils développés au CEA comme les solveurs thermo-mécaniques MFEM-MGIS [1,2] ou MANTA [3]. Les solutions logicielles et algorithmes parallèles proposés avec cette thèse permettront à terme la réalisation de grands calculs de modélisation multi-physique en 3D du comportement des crayons combustibles sur des supercalculateurs comportant des milliers de cœurs de calcul et des GPUs.
Le candidat travaillera au sein du Laboratoire de développement des Outils de Calcul Scientifique (OCS) combustibles PLEIADES (LDOP) au département d'études des combustibles (DEC - Institut IRESNE, CEA Cadarache). Il sera amené à évoluer dans une équipe pluridisciplinaire composée de mathématiciens, physiciens, mécaniciens et informaticiens. A terme, les contributions de la thèse visent à enrichir la plate-forme numérique pour la simulation de combustibles nucléaires PLEIADES.
Références : [1] MFEM-MGIS - https://thelfer.github.io/mfem-mgis/; [2] Th. Helfer, G. Latu. « MFEM-MGIS-MFRONT, a HPC mini-application targeting nonlinear thermo-mechanical simulations of nuclear fuels at mesoscale ». IAEA Technical Meeting on the Development and Application of Open-Source Modelling and Simulation Tools for Nuclear Reactors, June 2022, https://conferences.iaea.org/event/247/contributions/20551/attachments/10969/16119/Abstract_Latu.docx, https://conferences.iaea.org/event/247/contributions/20551/attachments/10969/19938/Latu_G_ONCORE.pdf; [3] O. Jamond et al. «MANTA : un code HPC généraliste pour la simulation de problèmes complexes en mécanique », https://hal.science/hal-03688160
Matériaux ALD pour les capacitances ferroélectriques FE et antiferroelectriques AFE
Les matériaux HfO2 ultrafins sont des candidats prometteurs pour les mémoires non volatiles embarquées (eNVM) et les dispositifs logiques. Le CEA-LETI occupe une position de leader dans le domaine des mémoires BEOL-FeRAM ultra-basse consommation (<100fj/bit) à basse tension (<1V). Les développements envisagés dans cette thèse visent à évaluer l'impact des couches ferroélectriques FE et antiferroélectriques AFE à base de HfO2 (10 à 4 nm fabriquées par dépôt de couches atomiques ALD) sur les propriétés et les performances des FeRAM.
En particulier, le sujet se propose d’apporter une compréhension approfondie des phases cristallographiques régissant les propriétés FE/AFE en utilisant des techniques de mesures avancées offertes par la plateforme de nano-caractérisation du CEA-LETI (analyses physico-chimiques, structurales et microscopiques, mesures électriques). Plusieurs solutions d'intégration pour les capacités ferroélectriques FeCAPs utilisant des couches ALD FE/AFE seront étudiées, notamment le dopage, les couches d'interface, la fabrication séquentielle avec ou sans air break…
Les capacitances FeCAPs, dont l’empilement de base est exclusivement fabriqué par ALD, seront exploitées pour explorer les points suivants :
1-Incorporation de dopage dans les couches FE/AFE (La, Y…)
2-Ingénierie de l'interface entre les couches FE/AFE et l'électrode supérieure/inférieure
3-Traitement plasma in situ de la surface de l'électrode inférieure
4-Dépôt séquentiel avec et sans air break
[1] S. Martin et al. – IEDM 2024
[2] Appl. Phys. Lett. 124, 243508 (2024)
Essais thermomécaniques jusqu’à de hautes températures sur une céramique nucléaire irradiée
Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre des études sur les interactions pastille-gaine dans les crayons combustibles utilisés dans les réacteurs des centrales nucléaires à eau pressurisé. L’exploitant doit assurer et démontrer l’intégrité de l’ensemble des crayons, en toutes situations. Or, les contraintes mécaniques subies par la gaine, première barrière de sûreté, sont reliés aux propriétés viscoplastiques du combustible. Il faut donc connaître ces propriétés et leurs évolutions en fonctionnement.
Le sujet de thèse proposé s’intéresse particulièrement à la caractérisation en cellule de haute activité de combustibles irradiés en réacteur nucléaire. Une des difficultés majeures réside dans le fait que les combustibles issus d’une irradiation en réacteur sont multi-fissurés, ce qui rend leurs caractérisations mécaniques particulièrement compliquées. Toutefois, une thèse en cours (2022-25) a permis de (i) concevoir une machine spécifique d’essais thermomécaniques, (ii) qualifier en partie ce dispositif, (iii) mettre en place des outils et méthode d’extraction d’échantillon fissuré, (iv) ainsi qu’une modélisation intégrale du système (jumeau numérique).
La thèse proposée ici correspond à la suite de ces travaux et sera construite en quatre étapes sur trois plateformes expérimentales disponibles au CEA
1. Prise en main et amélioration des outils numériques et expérimentaux existant,
2. Implémentation du dispositif en cellule de haute activité sur un four existant,
3. Réalisation d’essai thermomécanique sur combustible irradié ; ce qui constituera en soi une première mondiale dans ces conditions.
Les essais demanderont des post-traitements dédiés basés sur une discussion essai-simulation. En premier lieu, cela permettra de décolérer les phénomènes et de se focaliser sur le comportement viscoplastique du matériau. Une fois la base expérimentale suffisamment étoffée et interprétée, il sera alors possible de conforter ou revoir les lois de comportement du combustible. Un lien avec la microstructure des matériaux pourrait être abordé.
Tout au long de ces étapes, le thésard s’appuiera sur les compétences et expertises de différents laboratoires du Département d'études des Combustible (Institut IRESNE, CEA Cadarache) et sur un environnement collaboratif académique. Cette thèse s'inscrit également dans le cadre du projet européen OPERA HPC et en est un enjeu majeur.
Le doctorant devra présenter un goût marqué pour l’approche expérimentale et quelques facilités pour l’utilisation d’outils numériques. Des connaissances en science des matériaux sont le minimum requis. Au long des trois années de doctorat, le doctorant améliorera ses compétences multiphysiques en conception de dispositifs expérimentaux et comportement des matériaux à haute température, ainsi qu’en simulation numérique, ce qui facilitera son insertion professionnelle. Au regard de l’ampleur de la tâche, il serait préférable, mais non obligatoire, que le candidat ait suivi préalablement le stage de master lié à ce sujet (voir par ailleurs).
Aprentissage probabiliste à base de dispositifs spintroniques
Le candidat au doctorat conjoint UGA - KIT recruté devrait être en mesure de couvrir les travaux des lots de travail 1 et 2. Il/elle participera également à des réunions techniques et aura une bonne compréhension de la façon dont les tâches des autres lots de travail techniques sont exécutées, principalement par les partenaires avec un effort interne. Dans l'ensemble, le candidat au doctorat développera et optimisera des architectures compactes de calcul en mémoire, fournira des modèles de haut niveau pour une intégration ultérieure dans des conceptions à grande échelle, effectuera la validation de toutes les preuves de concepts de nouvelles implémentations architecturales. Il/elle sera également impliqué(e) dans la conception d'implémentations algorithmiques de réseaux neuronaux bayésiens adaptés à l'architecture. Plus précisément, il/elle travaillera dans les directions suivantes :
La conception et l'optimisation des réseaux neuronaux probabilistes, seront exécutées principalement dans le laboratoire SPINTEC à Grenoble, ce qui inclura :
1. la conception complète d'un accélérateur matériel sans transistor de sélection pour les opérations fréquentes de lecture et d'écriture.
2. Conception et validation d'une approche architecturale innovante capable de compenser les phénomènes de « sneaky paths ».
3. Modélisation de haut niveau de l'architecture crossbar complète qui inclut la composante stochastique.
4. Proposer un flux de simulation et de validation complet pouvant être adapté à une taille et à des paramètres d'architecture réalistes qui mettent en œuvre des tâches bayésiennes.
5. Réaliser des figures de mérite en matière de délai, de consommation d'énergie et de surcharge de surface.
Traduit avec DeepL.com (version gratuite)
Étude multi-échelle du transport ionique dans des matériaux nanoporeux hiérarchiques non saturés : application aux matériaux cimentaires
Le transport ionique est crucial pour déterminer la durabilité des matériaux à base de ciment et, par conséquent, l'extension de la durée de vie des (infra)structures en béton. Les phénomènes de transport déterminent la capacité de confinement du béton, essentielle à la conception et à la gestion des infrastructures en béton pour la production d'énergie. Dans la plupart des conditions de service, le béton se trouve dans un état non saturé. Un transport anormal a été observé dans les matériaux à base de ciment, et les raisons de ces écarts par rapport au comportement attendu d'autres matériaux poreux peuvent provenir de processus à l'échelle nanométrique.
A ce jour, la majorité des modélisations prédictives de la durabilité ne tiennent pas explicitement compte des processus à l’échelle nanométrique, pourtant fondamentaux pour déterminer les propriétés de transport. Des progrès récents ont été réalisés dans la quantification du comportement de l'eau confinée dans diverses phases présentes dans les systèmes cimentaires. Les silicates de calcium hydratés (C-S-H) sont la principale phase hydratée dans les matériaux à base de ciment et présentent des nanopores dans les gammes microporeuses et mésoporeuses. Cependant, les effets de la désaturation restent encore à élucider pleinement. Une compréhension fondamentale des processus de transport nécessite un cadre multi-échelle dans lequel l'information de l'échelle moléculaire se répercute à travers d'autres échelles pertinentes (en particulier, l'échelle mésoscopique associée à la porosité du gel C-S-H (~nm), la porosité capillaire et la zone de transition interfaciale (~µm) jusqu'à l'échelle macroscopique des applications industrielles dans les matériaux à base de ciment).
L’objectif de ce travail de doctorat est d’évaluer le transport ionique des chlorures, une espèce critique pour la durabilité du béton, en conditions non saturées en combinant des simulations à petite échelle, une modélisation multi-échelle et des expérimentations dans une approche ascendante. Le travail se concentrera sur le C-S-H. Le projet vise à caractériser les effets de la désaturation sur les processus nanométriques qui gouvernent le transport des chlorures.
Modélisation des équilibres de complexation des actinides en milieu nitrique. Application au procédé PUREX
Le code de calcul PAREX+ est un outil majeur dans le domaine de la chimie séparative. Il permet la modélisation et la simulation des procédés de séparation basés sur l’extraction par solvant. Dans ce code, la distribution des espèces d’intérêt entre les phases aqueuse et organique est calculée en tout point du procédé aussi bien en régime établi que dynamique. L’objectif de la thèse est d’améliorer le modèle de distribution présent au sein de ce code. Pour cela une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu au sein des phases organiques et aqueuses est nécessaire ainsi qu’une nouvelle approche pour les prendre en compte dans le modèle. Cette thèse associe donc l’expérimental et la modélisation. L’étudiant intégrera une équipe d’encadrement composée d’experts en chimie séparative et en modélisation. Son travail sera valorisé par l’émission de publications et de participations à des congrès internationaux. A l’issue de cette thèse, l’étudiant aura de solides connaissances dans le domaine de l’extraction par solvant et de sa modélisation qu’il pourra valoriser auprès des industriels ou des organismes de recherche du nucléaire ou dans les autres domaines de la chimie séparative (séparation des terres rares ou hydrométallurgie).
Modélisation thermo-chemo-mécanique du frittage : effet de l’atmosphère et de la densification différentielle sur le retrait des pastilles
Les combustibles de dioxyde d’uranium (UO2), utilisés dans les centrales nucléaires sont des céramiques, dont le frittage en phase solide est une étape-clé de la fabrication. L’étape de frittage consiste en un traitement thermique sous pression partielle contrôlée de O2 permettant de consolider, densifier le matériau et faire grossir les grains de UO2. La densification induit un retrait macroscopique de la pastille. Si le compact (poudre comprimée par pressage avant le frittage) admet de fortes hétérogénéités de densité, une différence de densification dans la pastille peut avoir lieu entraînant un retrait différentiel et l’apparition de défauts.
Cette thèse se consacre à la mise en place d’un modèle thermo-chemo-mécanique du frittage pour simuler l’impact de la composition et les propriétés physiques de l’atmosphère sur la densification du combustible à l’échelle de la pastille. Cette échelle nous permettra de considérer les gradients de densité issus du pressage, mais également de prendre en compte la cinétique de diffusion d’oxygène impactant localement la vitesse de densification qui elle-même impactera le processus de transport. Une simulation multiphysique est nécessaire pour simuler le couplage de ces phénomènes.
Ce travail de thèse sera mené au sein du Laboratoire commun MISTRAL (Aix-Marseille Université/CNRS/Centrale Marseille et l'institut IRESNE du CEA-Cadarache). Le doctorant valorisera ses résultats au travers de publications et participations à des congrès et aura acquis de solides compétences qui sont recherchées et valorisables dans un grand nombre de domaines académiques et industriels.
Simulations multiphysiques avec estimation d’incertitudes appliquées aux réacteurs rapides refroidis au sodium
La modélisation multiphysique est essentielle pour l'analyse des réacteurs nucléaires, mais la propagation des incertitudes entre différents domaines physiques (comme les comportements thermiques, mécaniques et neutroniques) est souvent négligée en raison de sa complexité. Ce projet de thèse vise à relever ce défi en développant des méthodes innovantes pour intégrer la quantification des incertitudes dans les modèles multiphysiques.
L'objectif principal est de proposer des approches de modélisation optimales, adaptées à différents niveaux de précision. Le projet explorera des techniques avancées, telles que la modélisation d'ordre réduit et l'expansion du chaos polynomial, pour identifier et classer les paramètres d'entrée ayant l'impact le plus significatif sur les sorties du système, indépendamment de leur domaine physique. Une comparaison entre des modèles « haute fidélité », développés à l'aide des outils de simulation de référence du CEA, et des modèles « best-estimate » conçus pour un usage industriel sera réalisée. Cette analyse comparative mettra en lumière comment les erreurs se propagent dans les différentes approches de simulation.
Les modèles seront validés à l'aide de données expérimentales de SEFOR, un réacteur rapide refroidi au sodium. Ces expériences fournissent des repères précieux pour tester les modèles multiphysiques dans des conditions réalistes de réacteur. Ce projet répond directement au besoin croissant de l'industrie nucléaire pour des outils de modélisation fiables et efficaces, visant à améliorer la sécurité et la performance des réacteurs.
Le candidat évoluera dans un environnement dynamique au CEA, avec accès à des ressources de simulation avancées et des opportunités de collaboration avec d'autres chercheurs et doctorants. Le projet offre également la possibilité de présenter les résultats lors de conférences nationales et internationales, avec des perspectives de carrière solides dans la conception de réacteurs nucléaires, l'analyse de la sûreté et la simulation avancée.
mise en ordre de l’oxygène dans le zirconium : mécanismes, cinétiques et propriétés mécaniques associés
Ce travail de thèse à pour but d'étudier les propriétés des alliages binaires zirconium-oxygène (Zr-O), notamment dans le cadre des applications nucléaires. Traditionnellement, l'oxygène est considéré en solution solide dans la matrice de zirconium, sans formation de composés ordonnés comme Zr6O ou Zr3O. Cependant, des études récentes suggèrent qu’à des températures inférieures à 600°C, des composés ordonnés peuvent se former, affectant la limite de solubilité de l'oxygène. Ces composés, observés après des traitements thermiques, pourraient modifier les propriétés mécaniques des alliages Zr-O, en particulier à température ambiante et jusqu’à 350°C. La thèse proposée cherche à comprendre ces mécanismes à travers des expériences de diffraction des rayons X et de microscopie électronique, pour étudier l'arrangement de l'oxygène, la stabilité thermique des composés et leur impact sur la déformation plastique. Cela vise à optimiser l’utilisation de ces alliages dans les réacteurs nucléaires.
Reconstruction numérique d’une cuve industrielle pour l’amélioration de l'instrumentation de suivi en temps réel
Dans un contexte de digitalisation de l’industrie et de surveillance en temps réel, il peut être crucial d’avoir accès en temps réel à des champs 3D (vitesse, viscosité, turbulence, concentration…), les réseaux de capteurs locaux étant parfois insuffisants pour avoir une bonne vision de ce qui se passe au sein du système. Ce sujet de thèse se propose d’investiguer une méthodologie adaptée à la reconstruction en temps réel de champs au sein d’une cuve industrielle instrumentée. Pour cela il est envisagé de se baser sur une modélisation éléments finis de la physique d’intérêt au sein de la cuve (fluidique, thermique…), et de méthodes de réduction de modèles basés sur le Machine Learning informé par la physique (approche capteurs virtuels). Le cœur de cette thèse sera également la mise au point de l’instrumentation d’une cuve et de la chaine d’acquisition associée, d’une part pour la validation des modèles, et d’autre part pour la génération d’une base de données pour l’application de la méthodologie.