Modélisation/Simulation de la synthèse de revêtements anti-corrosion par procédé MOCVD pour la production d’énergie décarbonée
La durabilité des matériaux utilisés dans de nombreux domaines de production d’énergie est limitée par leur dégradation dans l’environnement de fonctionnement, environnement très souvent oxydant et à haute température. C’est notamment le cas des Electrolyseurs à Haute Température (EHT) pour la production d’hydrogène "vert" ou les gaines des combustibles des réacteurs nucléaires pour la production d’électricité. Afin d’améliorer la durée de vie de ces installations et ainsi préserver les ressources, des revêtements anti-corrosion peuvent/doivent être appliqués. Un procédé de synthèse de revêtements par voie vapeur réactive avec des précurseurs organométalliques liquides (DLI – MOCVD) apparait comme un procédé très prometteur.
L’objectif de cette thèse est de modéliser et de simuler le procédé de synthèse de revêtement par DLI-MOCVD pour les deux applications proposées ci-dessus. Les résultats des simulations (vitesse de déposition, composition du dépôt, homogénéité spatiale) seront comparés aux résultats expérimentaux réalisés sur des réacteurs « pilote » de grande échelle au CEA afin d’optimiser les paramètres d’entrée du modèle. A partir de ce dialogue simulation CFD/expériences, les conditions optimales de dépôt sur un composant échelle 1 seront proposées. Un couplage simulations CFD/Machine Learning pour accélérer le changement d’échelle et l’optimisation des dépôts à l’échelle 1 sera développé.
Maillage hexaédrique d’ordre élevé massivement parallèle
L’objectif du travail de thèse est de développer un algorithme de maillage hexaédrique de type Overlay-
Grid en contexte HPC, avec l’ambition d’obtenir des maillages hexaédriques d’ordre élevé et comportant
potentiellement plusieurs milliards de mailles. Nous considérons que nous devons dans ce travail satisfaire
les contraintes suivantes :/
— La solution proposée doit être efficiente en priorité dans un contexte de parallélisme hybride mêlant
mémoire distribuée (MPI) et mémoire partagée (threads). Cela nécessitera entre autres d’équilibrer
la charge de travail entre les différents processus (légers ou non) impliqués dans le calcul ;
— Les domaines géométriques à discrétiser pourront être aussi bien modélisés par des modèles de CAO,
ou des grilles de fraction de présence ;
— Le maillage obtenu comportera des mailles de différents ordres pour s’adapter au bord géométrique
du domaine spatial discrétisé.
Sous ces contraintes, la solution proposée sera analysée et comparée aux méthodes de l’état de l’art sur
différents aspects purement informatiques. La qualité des maillages obtenus sera confrontée à des besoins de
codes de simulation du CEA.
De la combustion à l’astrophysique : simulations exaflopiques des écoulements fluides/particules
Cette thèse se concentre sur le développement de méthodes numériques avancées pour simuler les interactions entre fluides et particules dans des environnements complexes. Ces méthodes, initialement utilisées dans des applications industrielles comme la combustion et les écoulements multiphasiques, seront améliorées pour permettre une utilisation dans des codes de simulation pour supercalculateur exaflopique et adaptées aux besoins de l'astrophysique. L'objectif est de permettre l'étude des phénomènes astrophysiques tels que : la dynamique des poussières dans les disques protoplanétaires et la structuration de la poussière dans les proto-étoiles et le milieu interstellaire. Les résultats attendus incluent une meilleure compréhension des mécanismes de formation planétaire et de structuration des disques, ainsi que des avancées dans les méthodes numériques qui seront bénéfiques pour les sciences industrielles et astrophysiques.
Optimisation topologique des performances optiques de µLED
Les performances des micro-LEDs (µLEDs) sont fondamentales pour les micro-écrans, un domaine d’excellence du laboratoire LITE au CEA-LETI. Cependant, simuler ces composants est complexe et coûteux en calculs, en raison de la nature incohérente des sources lumineuses et des géométries impliquées. Cela limite la possibilité d’explorer efficacement des espaces de conception multi-paramètres.
Cette thèse propose de développer une méthode innovante basée sur les éléments finis pour accélérer les simulations tout en rendant possible l’utilisation de l’optimisation topologique. L’objectif est de produire des designs non intuitifs maximisant les performances tout en respectant les contraintes industrielles.
Le travail se divise en deux phases :
Développer une méthode de simulation rapide et fiable, en intégrant des approximations physiques adaptées aux sources incohérentes et en réduisant les temps de calcul d’un facteur significatif.
Concevoir un cadre d’optimisation topologique robuste, intégrant des contraintes de fabricabilité, pour générer des designs immédiatement réalisables.
Les résultats attendus incluent des designs optimisés pour micro-écrans offrant des performances accrues et une méthodologie généralisable à d'autres dispositifs photoniques.
Contrôle de la turbulence des modes d’électrons piégés à l’aide du chauffage à la résonance cyclotronique électronique
Les performances d’un tokamak sont liées au niveau du transport turbulent. L’instabilité des modes d’électrons piégés est l’une des principales instabilités à l’origine de la turbulence dans les tokamaks. D’autre part, le chauffage à la résonance cyclotronique électronique est un système de chauffage générique des tokamaks. Les deux processus physiques reposent sur des interactions résonantes avec les électrons. Une interaction non linéaire entre les processus résonants est théoriquement possible. L’objectif de la thèse est d’évaluer la possibilité d’exploiter cette interaction non linéaire pour permettre de stabiliser l’instabilité des modes d’électrons piégés au sein des tokamaks à l’aide d’une source de chauffage présente sur de nombreux tokamaks, dont ITER. Cette technique de contrôle pourrait permettre d’améliorer les performances de certains tokamaks sans surcoût.
La thèse reposera sur une compréhension théorique des deux processus étudiés, demandera l’utilisation du code gyrocinétique GYSELA pour modéliser les interactions non linéaires entre processus résonants et comportera un aspect expérimental pour valider le mécanisme de contrôle de la turbulence identifié.
Développement d’algorithmes et d’outils de modélisation pour des mesures de CD-SAXS à basse énergie
Le CEA–LETI est un des acteurs Européen principaux de l’industrie des semi-conducteurs. Avec sa plateforme de nano-caractérisation (PFNC) à Grenoble, il dispose d'un environnement de pointe avec un vaste éventail d'équipements à l'état de l'art. Nos équipes ont pour vocation d’accompagner le développement de nouveaux outils de caractérisation pour anticiper les besoins industriels (notamment autour des futurs nœuds technologiques). Ainsi, des travaux pionniers ont été réalisés autour du CD-SAXS sur la PFNC ces dernières années. Cette technique de diffusion/diffraction des rayons X permet de mesurer avec une précision sub-nanométrique les dimensions des nano-structures gravées dans les salles blanches du LETI. Dans le cadre de ce projet, nous proposons d’étendre l’approche CD-SAXS en utilisant les récents développements autour des sources basse-énergie de laboratoire (A. Lhuillier et al. 1988, prix Nobel 2023) appelées High Harmonics Generation (HHG) sources. Votre rôle sera de mettre en place les outils d'analyse spécifiques au développement de l’approche CD-SAXS à basse énergie. La première preuve de concept a été réalisée en Novembre 2023.
Mission:
Afin de prendre en compte dans la réduction de données les spécificités de cette nouvelle approche (multi longueur d'onde, basse énergie…), votre mission se concentrera sur plusieurs tâches:
- Développer différents outils numériques pour le traitement de données :
o Simulations éléments finis avec solver Maxwell
o Transformée de Fourier analytique (similaire au CD-SAXS)vs théorie dynamique
o Comparaison des différentes approches de simulations
- Construire et tester des modèles dédiés aux problématiques en lithographie(CD, overlay, rugosité)
- Définir les limitations de la technique par des simulations (notamment la résolution spatiale, les incertitudes de mesures);
Ce travail viendra compléter le développement expérimental de mesures de CD-SAXS avec une source de laboratoire HHG réalisée en parallèle par un postdoctorant.
Accélération de simulations thermo-mécaniques par Réseaux de Neurones --- Applications à la fabrication additive et la mise en forme des métaux
Dans un certain nombre d'industries telle que la mise en forme des métaux ou la fabrication additive, l'écart entre la forme désirée et la forme effectivement obtenue est important, ce qui freine le développement de ces méthodes de fabrication. Cela est dû en bonne partie à la complexité des processus thermiques et mécaniques en jeu, difficiles à simuler à des fins d’optimisation du fait du temps de calcul important de la simulation des phénomènes en jeu.
La thèse vise à réduire significativement cet écart grâce à l'accélération des simulations thermo-mécaniques par éléments finis, notamment via le design d'une architecture de réseau de neurones adaptée, en s'appuyant sur les connaissances physiques théoriques.
Pour mener à bien ce sujet, la thèse bénéficiera d'un écosystème favorable aussi bien au LMS de l'École polytechnique qu'au CEA List : architecture PlastiNN développée en interne (brevet en cours de dépôt), bases de données mécanique existantes, supercalculateur FactoryIA et DGX, machine d'impression 3D. Il s'agira dans un premier temps de générer des bases de données à partir de simulations éléments finis thermo-mécaniques, puis d'adapter PlastiNN à apprendre de telles simulations, avant de mettre en œuvre des procédures d'optimisation s'appuyant sur ces réseaux de neurones.
L'objectif final de la thèse est d'illustrer l'accélération de simulations éléments finis ainsi obtenue sur des cas réels : d'une part par l'instauration d'une rétroaction durant l'impression métallique via la mesure du champ de température pour réduire l'écart entre géométrie désirée et géométrie fabriquée, d'autre part par la mise en place d'un outil de commande de forge qui permet d'arriver à une géométrie désirée à partir d'une géométrie initiale. Les deux applications s'appuieront sur une procédure d'optimisation rendue réalisable par l'accélération des simulations thermo-mécaniques.
Etude et simulation des entraînements de phase dans les batteries de mélangeurs-décanteurs
Dans le cadre du développement de nouveaux procédés de séparation par extraction liquide-liquide, des essais expérimentaux sont mis en œuvre afin de démontrer la récupération des éléments valorisables suffisamment décontaminés des impuretés. Ces essais sont couramment réalisés en batteries de mélangeurs décanteurs. Cependant, en fonction des conditions opératoires, ces produits finis peuvent être contaminés par des impuretés. Cette contamination résulte de la combinaison de plusieurs facteurs :
-Hydrodynamique : Entrainement dans le solvant de gouttes aqueuses non décantées contenant des impuretés
-Chimique : le facteur de séparation des impuretés est faible (inférieur à 10-3)
-Procédé : l’entrainement des gouttes est amplifié avec l’augmentation de la cadence (réduction du temps de séjour des gouttes)
Cette thèse a pour but d’accroitre la compréhension des différents phénomènes responsables de ces entraînements de phase afin d’estimer des paramètres opératoires optimaux et de garantir une contamination des produits finis inférieure à un seuil fixé.
Il sera question de mettre au point un modèle macroscopique permettant de prédire le débit d’entrainement de gouttes non décantées en fonction des conditions opératoires dans les batteries de mélangeurs décanteurs. Il devra s’appuyer sur des simulations hydrodynamiques couplant la résolution d’un bilan de population de gouttes à un écoulement de phase continue. Un couplage sera réalisé entre ce modèle hydrodynamique et le code PAREX ou PAREX+ permettant de dimensionner les schémas de procédé.
La qualification des modèles proposés devra être faite par des comparaisons à des mesures expérimentales (basées sur des compagnes d’essai antérieures ou à venir).
Méthodes Monte-Carlo pour la sensibilité aux paramètres géométriques en physique des réacteurs
La méthode Monte-Carlo est considérée comme l'approche la plus précise pour simuler le transport de neutrons dans le cœur d'un réacteur, puisqu’elle ne nécessite pas ou très peu d'approximations et peut facilement traiter des formes géométriques complexes (aucune discrétisation n'est impliquée). Un défi particulier pour la simulation Monte-Carlo dans les applications de la physique des réacteurs est de calculer l'impact d'un petit changement de modèle sur ses paramètres : formellement, il s'agit de calculer la dérivée d'une observable par rapport à un paramètre donné. Dans un code Monte-Carlo, l'incertitude statistique est considérablement amplifiée lors du calcul d'une différence de valeurs similaires. Par conséquent, plusieurs techniques Monte-Carlo ont été développées afin d’estimer des perturbations directement. Toutefois, la question du calcul des perturbations induites par un changement dans la géométrie du réacteur reste fondamentalement un problème ouvert. L'objectif de cette thèse est d'étudier les avantages et les failles des méthodes de perturbation géométrique existantes et de proposer de nouvelles voies pour calculer les dérivées des paramètres du réacteur par rapport aux changements de sa géométrie. Le défi est double. Premièrement, il faudra concevoir des algorithmes pouvant calculer efficacement la perturbation géométrique elle-même. Deuxièmement, les approches proposées devront être adaptées aux architectures informatiques de la simulation à haute performance(HPC).
Influence de la perte de précurseurs de neutrons retardés par évacuation des gaz de fission sur la dynamique des réacteurs à sels fondus
Depuis une vingtaine d’années, les réacteurs nucléaires à sels fondus (molten salt reactor, MSR) connaissent un fort regain d’intérêt dans la communauté nucléaire internationale (programmes nationaux, start-ups dont une émanant du CEA). Les concepts modernes de MSR présentent un système d’évacuation des gaz de fission, qui s’accumulent dans le ciel de pile. Certains de ces gaz seront constitués de radionucléides précurseurs de neutrons retardés, qui seront donc perdus pour la réaction en chaîne. Ceci devrait réduire la fraction effective de neutrons retardés de ces réacteurs, déjà réduite par la circulation du sel hors de la zone critique. L’objectif de la thèse est d’évaluer l’ampleur de cette réduction additionnelle, et son influence sur la dynamique des réacteurs.
Une telle évaluation peut passer par des simulations numériques prenant en compte 1) une différenciation des groupes de précurseurs de neutrons retardés en groupes « phase liquide » et groupes « phase gazeuse » et 2) des modèles d’écoulement diphasique (où chaque type de groupe rejoint la phase qui lui correspond). La différenciation des groupes requiert une évaluation des fractions « liquide » et « gazeuse » pour chacun d’entre eux, par exemple à partir des rapports de branchement des évaluations nucléaires et la connaissance des éléments chimiques rejoignant chacune des phases. Celle-ci faite, on pourra mener des simulations avec le code « système » CATHARE (permettant déjà d’utiliser des modèles diphasiques) et le code « cœur » TRUST-NK (dont les fonctionnalités de calcul diphasique pourront nécessiter des développements) pour évaluer l’influence de la perte de précurseurs sur la dynamique des réacteurs.