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.
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.
PREDICTION PAR LA SIMULATION DES VIBRATIONS DANS LES CENTRIFUGUESES
Les machines tournantes sont des équipements critiques dans de nombreuses installations industrielles et leur exploitation s’accompagne régulièrement de problèmes d’équilibrage qui occasionnent l’apparition de vibrations potentiellement dangereuses pour les opérateurs et les équipements. La décanteuse pendulaire centrifuge est parfois le siège de vibrations qui obligent l’exploitant à ralentir la cadence de production. L’environnement nucléaire dans lequel ces équipements sont exploités ne permet pas de réaliser les mesures et observations nécessaires à une étude purement expérimentale. L’objectif est donc de réaliser une modélisation à partir de données limitées afin d’amener à une compréhension fine des phénomènes en jeu. Le sujet de thèse se propose de coupler des simulations CFD de type Euler-Euler de la répartition de masse dans le bol tournant avec une modélisation masse-ressort des liaisons mécaniques afin de s’approcher des signaux vibratoires mesurés industriellement. Un tel outil numérique serait une aide précieuse pour explorer les diverses pistes, sources potentielle d’apparition d’un déséquilibre de masse, et cela sans avoir à passer par une reproduction expérimentale. Associé à des méthodes de deep learning, ce type de modèle permettrait aussi de bâtir un prédicteur de balourds à partir de courts signaux vibratoires ouvrant la porte à un pilotage actif de la décanteuse.
Conception et optimisation d'un concept innovant de couverture tritigène pour réacteur à fusion nucléaire compact à haut flux de chaleur
Compétences :
Techniques : thermique, mécanique des structures, hydraulique, matériaux, simulation numérique
Non technique : rédaction, relationnel, anglais
Prérequis :
Cette thèse sera précédée d’un stage de 6 mois. Contacter l’encadrant pour découvrir le sujet.
Contexte :
Cette thèse porte sur la conception et l'optimisation d'une couverture tritigène innovante pour les réacteurs de fusion nucléaire compacts. La fusion nucléaire offre une solution prometteuse pour produire une énergie propre et durable. Cependant, elle nécessite la production continue de tritium, un isotope rare, à partir de couvertures tritigènes entourant le plasma. Ces couvertures doivent également extraire la chaleur générée. Dans les réacteurs compacts, les contraintes techniques sont accrues par des flux de chaleur et des sollicitations thermiques et neutroniques très élevés.
La thèse se déroulera au sein du Bureau de Conceptions, Calculs et Réalisations du CEA Saclay, un acteur reconnu concernant le développement de couvertures tritigènes à l’échelle européenne. Ce bureau a conçu plusieurs concepts, tels que le HCLL (Helium Cooled Lithium Lead) et le BCMS (Breeder and Coolant Molten Salt), deux types de couvertures basées sur des systèmes de refroidissement à l'hélium ou aux sels fondus.
Description de la thèse :
Le programme de recherche se déroulera sur trois ans. La première année sera dédiée à l'étude des couvertures existantes, à l'identification des contraintes des réacteurs compacts, à la sélection de matériaux et fluides caloporteurs adaptés, et à la conception préliminaire du modèle. Les années suivantes seront consacrées à la modélisation multiphysique (thermique, mécanique, neutronique), suivie de l'optimisation itérative du concept pour améliorer ses performances.
Perspectives :
Les résultats de cette thèse auront un impact significatif sur le développement des réacteurs de fusion compacts, en garantissant la production de tritium et l’intégrité des structures. Ce travail pourrait également ouvrir des perspectives pour des recherches futures sur des couvertures tritigènes encore plus avancées, contribuant à l'essor d'une énergie de fusion durable et commercialement viable.
Compréhension et modélisation des mécanismes de découpe laser pour le démantèlement
Depuis plus de 30 ans, le Laboratoire des Technologies d'Assemblage (LTA) du CEA Saclay mène des recherches pour développer des outils innovants pour le démantèlement des installations nucléaires, en mettant au point des procédés de découpe laser adaptés à des environnements hostiles. Cette technologie permet de découper des matériaux épais, en air ou sous l’eau, et s’est révélée particulièrement efficace pour le démantèlement grâce à sa précision et à sa capacité à limiter la génération d’aérosols. Aujourd’hui, cette technologie est considérée comme sûre et éprouvée, notamment grâce au projet européen "LD-SAFE".
Cependant, des verrous techniques persistent, notamment la gestion de l’énergie laser résiduelle qui, en se propageant au-delà de la pièce découpée, peut endommager les structures environnantes. Des premiers travaux, parmi lesquels une thèse, ont permis de développer des modèles numériques pour prédire et maîtriser cette énergie, apportant des avancées significatives. En revanche, des défis technologiques demeurent, comme la gestion des fortes épaisseurs (>10 mm), la découpe de multi-plaques ou encore la prise en compte de l’ajout d’oxygène pour améliorer l'efficacité de la découpe.
L'objectif de la thèse sera de faire face à ces défis afin de mieux comprendre le procédé de découpe laser et la propagation de l'énergie laser résiduelle. Le doctorant perfectionnera un modèle numérique pour prédire son impact sur les structures en arrière-plan, notamment pour des matériaux épais et des configurations multi-plaques. Le travail inclura le développement d'un modèle multiphysique, validé par des expériences, avec un focus particulier sur l'effet de l'oxygène, la création de modèles simples et l'adaptation pour une utilisation par des opérateurs externes.
La thèse sera réalisée en collaboration entre le Laboratoire des Technologies d’Assemblage (LTA) du CEA Saclay et l’Institut de Recherche Dupuy de Lôme (IRDL - UMR CNRS 6027) de l’Université de Bretagne-Sud (Lorient).
Mesure et évaluation de la dépendance énergétique des données de neutrons retardés du 239Pu
Cette proposition de thèse vise à mesurer et à caractériser l’émission des neutrons retardés émis par la fission du 239Pu. Cet actinide est impliqué dans divers concepts de réacteurs et la connaissance des données nucléaires qui le caractérisent reste actuellement insuffisante, en particulier en spectre rapide. Ce projet comprend une forte composante expérimentale, avec plusieurs campagnes de mesures sur l'accélérateur électrostatique MONNET au JRC Geel, auxquelles le doctorant prendra activement part.
La première étape de cette thèse consistera à intercomparer les méthodes de mesure du flux neutronique (dosimétrie, chambre à fission, détecteur long-counter et scintillateur à protons de recul) puis de les confronter à des calculs Monte-Carlo simulant l’émission des neutrons par interaction de particules chargées (D+T, D+D, p+T). Ce travail permettra d’assurer la bonne caractérisation du flux neutronique, une étape essentielle pour la suite du projet.
Dans un second temps, le doctorant devra reproduire des mesures de neutrons retardés du 238U, à l’aide d’une cible préexistante, dans une logique d’inter-comparaison par rapport à une campagne expérimentale menée en 2023.
Dans un troisième temps, le doctorant réalisera la mesure des rendements en neutrons retardés et des abondances par groupe du 239Pu, sur une gamme d’énergie de neutrons comprise entre 1 et 8 MeV. In fine, il produira une évaluation dépendante de l’énergie et l’intégrera dans un fichier ENDF pour être testée sur différents calculs de réacteur (beta-eff, transitoires de puissance, calibration d’efficacité d’absorbants…). Ces mesures complèteront une étude en spectre thermique menée à l’ILL en 2022 dans le but de former un modèle cohérent pour le 239Pu sur une gamme d’énergie de 0 à 8 MeV.
Ce projet contribuera au fichier de données nucléaires JEFF-4 de l’OCDE/AEN. Il répond à une forte demande de l’industrie nucléaire (soulignée par l’AIEA) pour améliorer la précision des mesures de multiplicité et des paramètres cinétiques des neutrons retardés, contribuant ainsi à une meilleure maîtrise de la sûreté des réacteurs nucléaires ainsi qu’à la réduction des marges de sûreté.
Radiothérapie avec électrons à très haute énergie issus d'un accélérateur de champ de sillage laser
Objectifs de la recherche :
Utiliser la modélisation numérique pour optimiser les propriétés des accélérateurs laser-plasma dans la gamme 50 MeV-200 MeV pour la radiothérapie VHEE :
(i) optimiser les propriétés d'un accélérateur laser-plasma (étalement de l'énergie, divergence) avec des faisceaux d'électrons injectés à partir d'un injecteur à miroir plasma en utilisant les codes WarpX et HiPACE++.
(ii) Étudier l'impact de ces faisceaux d'électrons sur l'ADN à l'aide de Geant4DNA.
Cette modélisation numérique sera ensuite utilisée pour guider/concevoir/interpréter des expériences de radiobiologie sur des échantillons biologiques in-vitro qui sont prévues dans notre installation laser interne de 100 TW au CEA pendant le projet. Ces expériences seront réalisées dans le cadre du projet de recherche FemtoDose financé par l'Agence Nationale de la Recherche.
Le chercheur bénéficiera d'une grande variété de formations disponibles au CEA sur le HPC et la programmation informatique, ainsi que de formations chez nos partenaires industriels (ARM, Eviden) et à l'Université Paris Saclay, qui propose des cours de maîtrise en radiobiologie et héberge également un centre de recherche (INanoTherad) dédié aux nouveaux traitements de radiothérapie, réunissant des physiciens, des radiobiologistes et des médecins. Les activités seront menées dans le cadre du réseau doctoral d'action Marie Sklodowska Curie EPACE (European compact accelerators, their applications, and entrepreneurship).
Création d’un jumeau numérique du procédé de Spray Pyrolyse en Flamme
Notre capacité à fabriquer des nanoparticules (NP) d'oxyde métallique avec une composition, une morphologie et des propriétés bien définies est une clé pour accéder à de nouveaux matériaux qui peuvent avoir un impact technologique révolutionnaire, par exemple pour la photocatalyse ou le stockage d'énergie. Parmi les différentes technologies de production, les systèmes de Spray Pyrolyse en Flamme (SPF) constituent une option prometteuse pour la synthèse industrielle de NP. Cette voie de synthèse repose sur l'évaporation rapide d'une solution - solvant plus précurseurs - atomisée sous forme de gouttelettes dans une flamme pilote pour obtenir des nanoparticules. Malheureusement, la maitrise du procède de synthèse SPF est aujourd’hui limitée à cause d’une trop grande variabilité de conditions opératoires à explorer pour la multitude de nanoparticules cibles. Dans ce contexte, l'objectif de ce sujet de thèse est de développer le cadre expérimental et numérique nécessaire au déploiement futur de l’intelligence artificielle pour la maitrise des systèmes SPF. Pour ce faire, les différents phénomènes prenant place dans les flammes de synthèse au cours de la formation des nanoparticules seront simulés, notamment au moyen de calculs de dynamique des fluides. Au final, la création d’un jumeau numérique du procédé est attendue, qui permettra de disposer d’une approche prédictive pour le choix des paramètres de synthèse à utiliser pour aboutir au matériau souhaité, ce qui diminuera drastiquement le nombre d’expériences à réaliser et le temps de mise au point de nouvelles nuances de matériaux.
Modélisation simplifiée de la calcination en tube tournant
Dans le cadre du retraitement des combustibles usés de type uranium oxyde, les déchets liquides ultimes de haute activité sont conditionnées dans des verres par un procédé en deux étapes, calcination puis vitrification. La calcination transforme progressivement le déchet liquide en un résidu sec, qui est mélangé à un verre préformé dans un four de fusion. Le calcinateur est constitué d’un tube tournant chauffé par un four à résistances. Les solutions calcinées sont constituées d’acide nitrique et de composés sous leur forme nitrate ou d’insolubles sous forme d’alliages métalliques. Dans l’objectif d’améliorer la maîtrise du pilotage du calcinateur, il est proposé de le modéliser.
La modélisation va consister à créer puis coupler trois modèles :
• Un modèle thermodynamique permettant de représenter les transformations subies par la matière. Cette partie fera très certainement appel à des mesures ATD et ATG, couplées très certainement à une démarche de type plan d’expériences (1ère année).
• Un modèle d’écoulement de la matière. Il existe déjà dans la littérature des principes de représentation très simplifié d’écoulement dans un calcinateur en tube tournant, mais il faudra faire preuve d’innovation notamment en définissant des tests pour caractériser l’écoulement de la matière au cours du processus de calcination (2ème année).
• Un modèle thermique qui prendra en compte les échanges entre le four et le tube du calcinateur mais également les échanges entre la matière et le tube. Des caractérisations de coefficients d’échanges devront être réalisées(1ère année).
Le couplage de ces trois modèles (3ème année) donnera naissance à une première modélisation simplifiée de la calcination. Ce modèle sera utilisé pour aider au pilotage de l’étape de calcination mais également pour former les opérateurs au pilotage de cet appareil.
Vous évoluerez au sein du LDPV, une équipe pluridisciplinaire (procédé, chimie, mécanique des fluides, modélisation, mécanique, induction) composée de 16 ingénieurs et techniciens. Equipe de 30 ans d’expérience en procédé de vitrification reconnue au niveau national et international
Miroirs plasmas pour des sources de lumière à des intensités extrêmes et pour des accélérateurs compactes d'électrons
Objectifs de la recherche :
Étendre les capacités du code WarpX Partice-In-Cell pour réduire le coût de convergence en utilisant le raffinement du maillage.
Concevoir un injecteur de haute qualité à haute charge pour les accélérateurs laser-plasma.
Déterminer la faisabilité du schéma proposé sur un système laser de classe 100-TW.
Le chercheur bénéficiera d'une grande variété de formations disponibles au CEA sur le calcul intensif et la programmation informatique, ainsi que de formations chez nos partenaires industriels (ARM, Eviden) et à l'Université Paris Saclay.