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.
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.