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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 1/130

   

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Thèses proposées au CEA / DAM

22001133

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2/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Faire une thèse au CEA est une opportunité unique pour un étudiant désirant poursuivre une carrière dans la recherche appliquée tournée vers des technologies innovantes. La Direction des applications militaires accueille chaque année environ 30 à 50 doctorants au sein d’équipes renommées et disposant d’installations uniques. Toutes les thèses donnent lieu à des publications dans des revues de premier rang.

Chaque année, le CEA/DAM propose des contrats de thèse financés soit en totalité par le CEA (Contrat de Formation par la Recherche de l’INSTN), soit cofinancés avec le CNRS, avec les Régions, ou encore avec la DGA, etc. Les thèses se déroulent dans les laboratoires du CEA/DAM (CEA/DAM Île-de-France en région parisienne près d'Arpajon, le Ripault près de Tours, le CESTA près de Bordeaux, le centre de GRAMAT proche de Toulouse et Valduc à proximité de Dijon) ou dans les unités mixtes de recherche dont le CEA/DAM est une tutelle (LULI, CELIA, LCTS, etc.). Le CEA/DAM attache une grande importance à l’insertion professionnelle des doctorants. Elle recrute prioritairement ses chercheurs au sein de ce vivier. Elle propose un parcours post-doctoral attractif à ceux qui le souhaitent dans des laboratoires internationaux de haut niveau (Livermore, Sandia, Los Alamos aux USA). Dans tous les cas, le niveau d’insertion des doctorants et post-doctorants du CEA est l’un des plus élevé. Les sujets proposés en 2013 couvrent un large spectre de recherche à caractère fondamental ou appliqué : environnement, physique de la matière, physique nucléaire, interaction laser-plasma, simulation numérique haute performance, diagnostics pour les grandes installations expérimentales, électromagnétisme, détonique, nouvelles technologies pour l’énergie, sciences des matériaux, métallurgie, etc. Ce fascicule présente une sélection de sujets proposés pour 2013. Un contact téléphonique est indiqué pour chaque sujet, ainsi que la localisation de la thèse. N’hésitez pas à vous renseigner sur les sujets et à rencontrer nos chercheurs pour discuter avec eux de votre avenir !

L’ensemble des sujets est consultable sur le site internet du CEA/DAM www-dam.cea.fr dans la rubrique Vie scientifique/Formation/ dans laquelle l’on trouve aussi quelques informations utiles sur chacun des centres.

Les sujets sont également diffusés sur le site de l’INSTN www-instn.cea.fr, dans la rubrique Les thèses au CEA, Sujets de thèse.

Faire une thèse à la DAM

Thierry MASSARD

Directeur scientifique du CEA/DAM 

novembre 2012Crédits photo : CEA 

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 3/130

Les centres CEA/DAM :

CEA/DAM Ile-de-France 01 69 26 40 00 Bruyères le Châtel 91297 Arpajon

CEA/Valduc 03 80 23 40 00 21120 Is-sur-Tille

CEA/Le Ripault 02 47 34 40 00 B.P. 16 37260 Monts

CEA/Cesta 05 57 04 40 00 B.P. 2 33114 Le Barp

CEA/Gramat 05 65 10 54 32 B.P. 80 200 46500 Gramat

Une adresse mail est mise à votre disposition pour toute question d’ordre général : [email protected]

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4/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

AAAtttmmmooosssppphhhèèèrrreee eeettt gggéééoooppphhhyyysssiiiqqquuueee

EEEllleeeccctttrrrooommmaaagggnnnééétttiiisssmmmeee

EEEllleeeccctttrrrooonnniiiqqquuueee

EEEnnnvvviiirrrooonnnnnneeemmmeeennnttt

MMMééétttrrrooolllooogggiiieee

IIInnnfffooorrrmmmaaatttiiiqqquuueee sssccciiieeennntttiiifffiiiqqquuueee,,, sssiiimmmuuulllaaatttiiiooonnn nnnuuummmééérrriiiqqquuueee,,, mmmooodddéééllliiisssaaatttiiiooonnn

OOOppptttiiiqqquuueee,,, LLLaaassseeerrrsss eeettt ppplllaaasssmmmaaasss

PPPhhhyyysssiiiqqquuueee dddeee lllaaa mmmaaatttiiièèèrrreee cccooonnndddeeennnssséééeee

PPPhhhyyysssiiiqqquuueee nnnuuucccllléééaaaiiirrreee

SSSccciiieeennnccceeesss dddeeesss mmmaaatttééérrriiiaaauuuxxx

MMMééécccaaannniiiqqquuueee

Les thématiques

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 5/130

AAttmmoosspphhèèrree eett GGééoopphhyyssiiqquuee ...............................................................................................................11

Etude expérimentale des ondes de gravité et de leur rôle dans la dynamique globale de l'atmosphère12

Modélisation de l’influence de la turbulence atmosphérique sur la propagation des ondes infrasonores à grande distance .........................................................................................................................13

Impact des incertitudes atmosphériques sur la dynamique des ondes de gravité ...................................14

Traitement statistique du signal pour les sources infrasonores ...................................................................16

Séries temporelles en interférométrie radar : nouvelles techniques de mesures de déformations .......17

Variations latérales de sismicité micrustale le long d’un méga-chevauchement ......................................18

Evaluation et optimisation des performances d’un réseau infrason global de surveillance de sources volcaniques...........................................................................................................................................................19

Contribution à la discrimination de source et à la caractérisation de la propagation sismique régionale par analyse en réseau 3 composantes ............................................................................................................20

Modélisation et simulation rapide de la propagation des ondes de souffle aériennes en environnement complexe ...................................................................................................................................22

Etude de tsunamis générés par des déstabilisations gravitaires : applications pour les côtes françaises..............................................................................................................................................................23

Simulation numérique de l’ablation liquide ......................................................................................................24

EElleeccttrroommaaggnnééttiissmmee......................................................................................................................................25

Développement d’un code de calcul Particle-In-Cell couplé à un modèle de cinétique chimique de l’air pour l’étude de la génération et de la propagation de champ EM en environnement ionisé ..................26

Prise en compte des Incertitudes dans les codes de couplages électromagnétiques.............................27

Etude et conception d’une source micro-ondes de forte puissance de type magnétron relativiste à cathode transparente et à extraction axiale ....................................................................................................28

Caractérisation de l’évolution dans le temps (vieillissement) des caractéristiques et du fonctionnement des composants électroniques soumis à des agressions électromagnétiques ............29

Modélisation de métamatériaux ........................................................................................................................30

EElleeccttrroonniiqquuee ......................................................................................................................................................31

Etude des effets de microdose induits par des protons ou des neutrons dans les isolants des technologies microélectroniques avancées ....................................................................................................32

Liste des sujets par domaine

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6/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Etude à l’échelle atomique de l’effet du déplacement atomique induit par des irradiations aux ions lourds dans la dégradation des propriétés des composants électroniques ...............................................33

Etudes de la sensibilité SEE des technologies nanométriques planaire-2D et FinFET...........................34

Etude et réalisation d’une source de puissance pulsée à transistor GaN..................................................35

Spectroscopie du courant d’obscurité induit par les effets de déplacement atomique des radiations spatiales dans les capteurs d’images CMOS à photodiode “pinned“ .........................................................36

EEnnvviirroonnnneemmeenntt................................................................................................................................................39

Détermination de la solubilité et de la diffusion de l’iode et du xénon dans les roches fondues............40

Construction des outils théoriques pour la géolocalisation des oxydes d’uranium et l’identification des sources par les isotopes de l’oxygène .............................................................................................................41

MMééttrroollooggiiee ...........................................................................................................................................................43

Développement d’un étalon de pression acoustique et d’une méthode d’étalonnage de référence associée pour l’étalonnage à 1 Hz des capteurs infrasonores de type microbaromètre .........................44

Développement d’une source X impulsionnelle multi-keV par interaction Compton entre des électrons issus d’un accélérateur radio-fréquence 40 MeV et des impulsions laser intenses .................................46

Mise au point d’un dispositif de mesure du spectre en énergie d’une source de radiographie éclair dans la gamme [0-20] MeV................................................................................................................................47

Propagation des incertitudes de mesure entre les domaines temps et fréquence en métrologie de la forme d’onde ........................................................................................................................................................48

IInnffoorrmmaattiiqquuee sscciieennttiiffiiqquuee,, ssiimmuullaattiioonn nnuumméérriiqquuee,, mmooddéélliissaattiioonn ............................49

Adaptation du code parallèle Coddex aux nouvelles architectures de machines 'ManyCore' ou GPU 50

Construction et utilisation de méta-modèles pour l’estimation de probabilités d’événements rares et de quantiles faibles..............................................................................................................................................51

Multi-représentations de maillages cellulaires et détermination automatique de la meilleure représentation pour un algorithme donné........................................................................................................52

Mécanismes de communications unidirectionnelles (PGAS/one-sided/RDMA) pour applications déséquilibrées de type Monte-Carlo.................................................................................................................54

Couplage fluide-structure avec des schémas Volumes finis conservatifs Eurlériens et Lagrangiens ...55

Modélisation physique, étude d’un schéma numérique et développement d’une maquette 1 D pour la simulation des écoulements fluides par un formalisme multicontinu ..........................................................56

Adaptation des méthodes Lagrange-Projection pour l’hydrodynamique multi-matériaux en vue du portage sur architecture exaflopique ................................................................................................................57

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 7/130

Equilibrage de charge pour des simulations multi-physiques par partitionnement multi-critère de graphe ...................................................................................................................................................................58

Développement d’un potentiel réactif pour simuler des réactions chimiques en phase condensée – Application à la sensibilité aux chocs des explosifs.......................................................................................60

Étude et validation d’un modèle pour le transport de particules dans des milieux fortement hétérogènes avec application à la fusion inertielle pour l’énergie ...............................................................61

Développement d'un code ALE-AMR pour la résolution des équations de l'hydrodynamique Lagrangienne .......................................................................................................................................................62

Modélisation du transport et du calcul du dépôt de particules dans des milieux fortement hétérogènes avec application à la radiothérapie ...................................................................................................................63

Simulation numérique de l’effet Hall et perturbations atmosphériques ......................................................64

Etude de l’interaction écoulement-particules dans le régime supersonique..............................................66

OOppttiiqquuee,, LLaasseerrss eett PPllaassmmaass ..................................................................................................................67

Sources Compton et bêtatron créées dans un accélérateur d’électrons par sillage laser ......................68

Imageur haute résolution pour l’étude des sources X multi-keV créées par interaction laser ................69

Etude des propriétés des matériaux ablateurs pour les cibles de fusion par confinement inertiel dans des conditions extrêmes de densité et de température ................................................................................70

Effets cinétiques ioniques dans les plasmas de fusion par confinement inertiel par laser......................71

Optique ultrarapide et génération de sources THz et XUV ..........................................................................72

Étude de la stabilité d'une onde plasma de grande amplitude et application à la saturation du Raman dans les conditions du laser MégaJoule..........................................................................................................73

Étude des propriétés statistiques d’une tache focale laser lissée et de leur influence sur l’interaction laser-plasma .........................................................................................................................................................74

Conception et fabrication de fibres microstructurées pour mise en forme spatiale fibrée.......................75

Étude des plasmas denses par interférométrie fréquentielle : Dynamique électronique et détente hydrodynamique ..................................................................................................................................................76

Développement, fabrication et caractérisation de nouveaux réseaux de diffraction pour la compression d’impulsions courtes ultra intenses ...........................................................................................77

PPhhyyssiiqquuee ddee llaa MMaattiièèrree CCoonnddeennssééee.................................................................................................79

Etude des premiers stades de l’oxydation des surfaces d’actinides : rôle des corrélations électroniques ........................................................................................................................................................80

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8/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Modélisation de la propagation des ondes de choc dans des mousses aqueuses..................................81

Dynamique moléculaire magnétique des matériaux ferrimagnétiques .......................................................82

Amorçage en détonation des explosifs fortement hétérogènes de type coulé fondu : établissement de corrélations entre la microstructure et la réactivité ........................................................................................83

PPhhyyssiiqquuee NNuuccllééaaiirree ......................................................................................................................................85

Description du noyau et de ses états excités, synthèse d'approches au-delà du champ moyen ..........86

SScciieennccee ddeess mmaattéérriiaauuxx .............................................................................................................................87

Calcul de la tension de surface de systèmes métalliques liquides par simulation microscopique.........88

Systèmes adhésifs époxy pour assemblages structuraux d’expériences d’interaction laser-matière...89

Etude des mécanismes de croissance cristalline du KDP/DKDP à température constante et relation avec la tenue au vieillissement..........................................................................................................................90

Modélisation du comportement thermo-mécanique de composites 3D Carbone / Carbone ..................91

Etude et optimisation d’électrolytes pour batterie Li-ion 5V..........................................................................92

Contribution à la conception, au dimensionnement, à la réalisation et à l'étude du comportement mécanique de volants d'inertie en composite .................................................................................................93

Etude, caractérisation et optimisation de mélanges polymères / liquides ioniques. Application à la réalisation de liners pour réservoirs de stockage hyperbare de l’hydrogène. (Co-direction INSA de Lyon) ......................................................................................................................................................................94

Approches déterministe et probabiliste du comportement mécanique des réservoirs haute pression pour le stockage de l’hydrogène gazeux .........................................................................................................95

Elaboration de matériaux thermoélectriques par éco-conception et chimie douce. Modélisation des propriétés ..............................................................................................................................................................96

Développement et caractérisation de barrières thermiques nanostructurées par projection plasma de suspension............................................................................................................................................................98

Exploitation et modélisation du comportement à la pyrolyse des matériaux Carbone/Résine ...............99

Développement de matériaux multi échelles anti-usure et anti-corrosion pour remplacement des stellites ...............................................................................................................................................................100

Synthèse de molécules hétérocycliques azotées énergétiques ...............................................................102

Amélioration de la durée de vie de membranes nanocomposites hybrides pour pile à combustible du type PEMFC. Etude des relations structure/propriétés. Comportement hydrique et vieillissement en milieu acide de membranes nanocomposite................................................................................................103

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 9/130

Etude du passage du laboratoire au pilote préindustriel de la fabrication d’Assemblages Membrane Electrode pour pile à combustible de type PEMFC ....................................................................................104

Synthèse, formulation et caractérisation de matériaux énergétiques nanostructurés ..........................105

Etude et optimisation des paramètres mis en jeu lors de l’élaboration de matériaux organiques ou inorganiques, de faibles masses volumiques, dopés ou non, pour la fabrication d’éléments de cible nécessaires aux expériences de Fusion par Confinement Inertiel sur laser de puissance..................106

Étude multi expérimentale des transformations de phases et de leur impact sur les propriétés mécaniques d’un acier inoxydable austénitique stabilisé au niobium......................................................107

Modélisation du vieillissement des tritiures métalliques : application au tritiure de palladium.............108

Etude du vieillissement d’une soudure homogène en acier inoxydable martensitique.........................110

Etude du diagramme de phase et de la vitesse du son de l’Oxyde de Fer par compression magnétique quasi-isentropique ......................................................................................................................111

Simulation du comportement des composites stratifiés soumis aux effets du souffle ..........................112

Etude de l’équation d’état d’échantillons métalliques préchauffés. Etudes expérimentales et développement de modèles numériques......................................................................................................113

Etude de l’homogénéisation du comportement en dynamique de composites granulaires à matrice viscoélastique....................................................................................................................................................114

Ablation de matériaux carbonés sous très haut flux : étude multi physique de l’interaction matériau/écoulement .......................................................................................................................................115

MMééccaanniiqquuee........................................................................................................................................................117

Influence de l’activation plastique lors d’une transformation de phase martensitique, modélisation et expérience en enclume de diamant...............................................................................................................118

Modélisation de la rupture de structures en béton armé par une approche éléments discrets ...........119

Etudes et modélisation de zones de mélange instables et soumises à des déformations par un modèle EDQNM................................................................................................................................................120

Etude de la stabilité des structures sous chargement impulsionnel.........................................................121

Analyse de stabilité linéaire d'écoulements d'ablation en fusion par confinement inertiel ...................122

Allumage mécanique des compositions explosives à l'octogène : observations microstructurales en temps réel et simulations associées..............................................................................................................123

Etude expérimentale et modélisation du comportement et de la rupture des soudures homogènes TA6V/TA6V : mécanismes à t0 et dans le temps........................................................................................124

Etude de la durabilité d’une surface usinée en fonction des paramètres du procédé ..........................126

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10/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Obtention par dynamique moléculaire de critères descriptifs d’endommagement (en particulier fissuration de grains fragiles et décohésion grains polycristallins/matrice) de matériaux énergétiques composites, utilisables dans des hydrocodes..............................................................................................127

Elaboration d'une méthode inverse pour la détermination probabiliste d’un terme source 1 – d’explosion ou 2 - de polluant, dans un environnement 3D, en prenant en compte les incertitudes de modélisation ......................................................................................................................................................128

Etude de la compaction sous choc de matériaux poreux : Expériences et modélisation .....................129

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 11/130

AAttmmoosspphhèèrree eett GGééoopphhyyssiiqquuee

CESTA

Le RIPAULT VALDUC

ILE DE FRANCE

GRAMAT

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12/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Atmosphère et géophysique

Sujet :

Etude expérimentale des ondes de gravité et de leur rôle dans la dynamique globale de l'atmosphère

Contexte : L'analyse des données du réseau infrason du Système de Surveillance International (SSI) mis en place dans le cadre de la vérification du TICE (Traité d'Interdiction Complète des Essais) a permis d'identifier de nombreux types d'ondes atmosphériques qui se propagent dans l'atmosphère sur des distances importantes. Les différentes sources d'infrason sont d'origine naturelle (volcans, tremblements de terre, orages magnétiques et atmosphériques) ou artificielle (avions supersoniques). La propagation s'effectue dans le guide d'onde atmosphérique formé par le sol et les gradients de température de la stratosphère et de la thermosphère, elle subit l'influence des vents stratosphériques. En parallèle aux infrasons, le réseau permet la mesure des ondes de gravité de plus grande échelle qui contribuent à la circulation et au mélange dans la stratosphère et la mésosphère. Ces ondes, générées principalement dans la troposphère aux altitudes météorologiques, provoquent un forçage de la stratosphère et un mouvement de circulation globale dans lequel l'air s'élève sous les tropiques, se déplace vers les pôles puis s'enfonce lentement sur ceux-ci, en influençant en retour la troposphère à haute latitude. Elles peuvent ainsi influencer le climat. Les sources principales de ces ondes sont les orages atmosphériques et l'action du vent sur le relief. L'analyse de la dynamique de l'atmosphère présente un enjeu scientifique important pour l'amélioration des modèles atmosphériques, la prévision météorologique et les études de climat. Elle présente également un enjeu pour les traitements opérationnels des données des réseaux limités par le manque de précision des modèles atmosphériques actuels. Ces études seront menées dans le cadre du projet Européen ARISE (Atmospheric dynamics Research Infrastructure in Europe) qui rassemble le réseau infrason SSI, le réseau lidar (NDAAC) et le réseau d'observation de la couche luminescente mésosphérique (NDMC) pour fournir une image 3D des perturbations de l'atmosphère et des couplages des différentes couches atmosphériques.

Objectif de la thèse : Le sujet de thèse porte sur l'identification et l'analyse des ondes de gravité et sur l’étude de leur impact sur la dynamique de l’atmosphère et le climat. Les données utilisées sont celles de campagnes de mesure spécifiques et de données archivées du réseau infrason. Des modèles de propagation existants ou développés dans le cadre de la thèse seront utilisés pour l'interprétation des données.

Déroulement de la thèse : Dans une première phase, le travail consiste à étudier les données basse fréquence de certaines stations représentatives de conditions géophysiques particulières (régions équatoriales, tropicales ou haute latitude). Le seuil de détectabilité ainsi que la directivité seront estimés. Les sources possibles des ondes seront identifiées. Leurs caractéristiques seront déterminées et paramétrées. Dans une seconde phase, on identifiera les systèmes d'ondes de gravité susceptibles d'affecter la circulation atmosphérique à une échelle globale. Une base de données des paramètres représentatifs de ces ondes sera réalisée. On évaluera l'ampleur du forçage dynamique de la stratosphère en fonction de l'activité des ondes de gravité dans le but de paramétrer les modèles de circulation générale de l'atmosphère. Enfin, la propagation des ondes de gravité sera modélisée. On s'appuiera sur les modèles existants pour modéliser la propagation des ondes de gravité, les possibilités de pénétration dans la stratosphère et leur rôle dans la dynamique de l'atmosphère. Ces études seront réalisées en collaboration avec les laboratoires de l'IPSL impliqués dans la dynamique de l'atmosphère et le climat.

Compétences : Connaissances dans le domaine de la géophysique et celui du traitement de données. Le candidat devra maîtriser les outils de programmation. Le travail demandé est interdisciplinaire et fait intervenir des interactions avec d'autres organismes au niveau national et international.

Débouchés : A l’issue de la thèse, le candidat aura acquis une double compétence en traitement du signal et exploitation de réseaux et en modélisation dans le domaine de la propagation des ondes, de la dynamique atmosphérique et de son effet sur le climat. Le sujet proposé lui permettra d’avoir des collaborations avec différents laboratoires de l’IPSL et de s’intégrer dans les réseaux scientifiques portant sur ces thématiques. Il pourra trouver des débouchés dans ces domaines.

Directeur de thèse : à définir (LATMOS)

Co-Directeur, contact : Elisabeth Blanc - [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01 69 26 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 13/130

Atmosphère et géophysique

Sujet :

Modélisation de l’influence de la turbulence atmosphérique sur la propagation des ondes infrasonores à grande distance

Contexte : Dans le contexte du Traité d'Interdiction Complète des Essais Nucléaires, le Système de Surveillance International développe un réseau de stations micro-barométriques mesurant les ondes infrasonores. Ces ondes acoustiques très basses fréquences (0.05 à 10 Hz) sont émises par des sources variées (explosions, volcans, météorites...) et peuvent se propager sur des milliers de kilomètres.

Objectif de la thèse : La propagation des ondes infrasonores est fortement influencée par les conditions atmosphériques à l'échelle globale mais également par les petites structures de l'atmosphère. Ces hétérogénéités, par leur caractère aléatoire, induisent des variabilités spatiales et temporelles des caractéristiques des signaux mesurés aux stations barométriques.

D'un point de vue opérationnel, les capacités de détection et de caractérisation de la source en sont impactées.

L'objectif de la thèse consiste à modéliser et à caractériser l'influence de la turbulence atmosphérique sur la propagation des ondes infrasonores.

Déroulement de la thèse : Le sujet proposé consiste à développer des modèles physiques et numériques de propagation des ondes acoustiques en milieu aléatoire. Des simulations en atmosphère réaliste seront ensuite appliquées afin de confronter, de manière statistique, les modèles à des mesures. Des modèles des petites échelles de l'atmosphère basés sur les modèles d'ondes de gravité de la littérature seront d'abord développés. Le scattering des ondes infrasonores par ces hétérogénéités, qui s'apparente à de la turbulence hétérogène et anisotrope, sera ensuite introduit dans des modèles de propagation. Les méthodes de tracé de rayons, de l'approximation parabolique et des différences finies seront adaptées et développées afin d'intégrer ce phénomène en plus des effets non linéaires, de l'absorption atmosphérique et de la météorologie grande échelle. Enfin, l'influence des petites échelles de l'atmosphère sur l'azimut, le temps d'arrivée et la vitesse apparente des ondes infrasonores ainsi que sur le niveau de pression et la signature acoustique sera étudiée notamment en comparaison avec des mesures réalisées au CEA/DIF.

Directeur de thèse : Philippe Blanc-Benon, Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique UMR CNRS 5509, Ecole centrale de Lyon

Ecole doctorale : Mécanique Energétique Génie civil, Acoustique (MEGA) Ecole centrale Lyon

Contact : Olaf Gainville - [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01 69 26 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13

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14/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Atmosphère et géophysique

Sujet :

Impact des incertitudes atmosphériques sur la dynamique des ondes de gravité

Contexte :

Au CEA, la simulation numérique est largement utilisée dans les domaines où les expériences contrôlées ne sont pas accessibles (astrophysique, géophysique). Dans tous les cas, les modèles prennent en entrée des jeux de données qui peuvent être peu ou mal connus, soit du fait d'incertitudes épistémiques, par exemple dans le cas des paramètres physiques, soit du fait d'une variabilité inhérente au milieu de propagation.

Dans l'analyse de la propagation atmosphérique des ondes acoustiques, un des problèmes récurrents est l'évaluation de l'impact sur les signaux acoustiques de la variabilité naturelle du climat et, en particulier, d'évènements rares au sens probabiliste du terme. La variabilité naturelle peut être décrite par trois composantes : les variations guidées par des forçages externes purement périodiques (cycle diurne ou saisonnier), celles dues à des mécanismes de rétroaction internes au climat (effets non linéaires) et celles associées à des fluctuations aléatoires. Ces trois composantes sont liées, par exemple par le transfert de quantité de mouvement angulaire des ondes internes, qui permet à des perturbations générées dans la troposphère de se propager jusqu'à la stratosphère pour y causer divers effets : éloignement des conditions d’équilibre radiatif, circulation de Brewer-Dobson, réchauffements stratosphériques soudains, Oscillation Quasi-Biennale...

En fait, notre compréhension de la dynamique de l'atmosphère repose en grande partie sur l'utilisation de modèles quasi-géostrophiques qui ne permettent pas de décrire la dynamique des ondes internes et les incertitudes associées. Bien que ces ondes soient connues pour être à l'origine de turbulences dans la stratosphère, qui est une région critique pour la réfraction des ondes acoustiques, on sait assez peu de choses quant à leur importance dans le contexte de la propagation des infrasons. Au sein du laboratoire, nous avons obtenu plusieurs résultats théoriques pour des configurations génériques (jet, couche limite). Mais l'absence de modèle pour décrire l'ensemble des sources d'ondes internes dans l'atmosphère exclut les approches déterministes pour des configurations réalistes.

Objectif de la thèse :

L'objectif de cette thèse est double. Il s'agira tout d'abord d'évaluer l'impact d'une composante aléatoire sur la dynamique des ondes atmosphériques. Pour cela, on s'appuiera sur une description stochastique des ondes internes et un modèle linéaire bruité (de type Taylor Goldstein - Langevin). Parallèlement, on cherchera à caractériser le rôle des interactions entre ondes internes et ondes acoustiques (infrasons) à partir d'un modèle de dynamique non linéaire simplifié.

Déroulement de la thèse :

Dans un premier temps, il sera nécessaire d'estimer les lois de probabilité des paramètres d'entrée à partir des données et modèles de dynamique stratosphérique connus, en précisant notamment le rôle joué par les ondes internes. Cette étape comprend une étude de la variabilité de l'atmosphère à plusieurs échelles. Les lois des paramètres d'entrée, en général non gaussiennes, serviront d'entrée pour étudier la sensibilité des solutions d'une classe d'opérateurs linéaires « bruités ». Les solutions seront obtenues à partir d'une méthode spectrale (décomposition en modes normaux) et de techniques asymptotiques (échelles multiples, WKB). On adaptera pour cela un code déjà existant au laboratoire et exploité dans le cadre de deux thèses récentes [1-3]. On pourra exploiter certaines méthodes de décomposition spectrale permettant de représenter la réponse du modèle complet sur une base adaptée (des polynômes de chaos ou des modes globaux).

On effectuera ensuite une étude de stabilité généralisée (détermination de la perturbation optimale en contexte stochastique) afin de caractériser les configurations atmosphériques critiques et comprendre les mécanismes de transition d'une configuration à l'autre en présence de bruit.

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 15/130

Intégration aux travaux existants :

De récents travaux, réalisés en partie dans le cadre du projet européen ARISE initié par le CEA en 2011, ont permis d'avoir une première estimation des incertitudes associées au milieu de propagation. Les caractéristiques de l'atmosphère ont été obtenues à partir de différentes sources de données (codes de météorologie, lois empiriques) en tenant compte, en plus des données, d’un modèle physique d’atmosphère. Ces travaux ont permis de caractériser la variabilité des profils de températures dans la mésosphère, via notamment des comparaisons à des données satellites de la NASA et à des profils Lidars. Ces travaux constituent un bon point de départ pour la quantification des incertitudes.

Au laboratoire, la propagation des infrasons est étudiée principalement dans un cadre linéaire (ou faiblement non linéaire) qui permet de ramener le problème à l'analyse de la réponse impulsionnelle de l'équation d'onde, de Rayleigh ou de Taylor-Goldstein selon les cas. Mais bien qu'on ait intérêt, ne serait-ce que pour des questions de coût, à utiliser des modèles linéaires, il faut s'attendre à ce que, dans certaines configurations atmosphériques, les tendances statistiques des sorties des codes soient biaisées ou n'aient aucun sens physique. Ce constat a motivé le passage à des modèles plus élaborés, basés sur les équations de la climatologie et la méthode des éléments finis (FreeFem++). Cette thèse pourrait être un bon moyen de valoriser ces codes dans un contexte stochastique.

Certains phases de la thèse pourront nécessiter des déplacements au NCPA (National Center for Physical Acoustics, University of Mississippi).

Directeur de thèse et école doctorale : Didier UCOR

Contact : Christophe MILLET - CEA/DAM/DIF - 01 69 26 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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16/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Atmosphère et Géophysique

Sujet :

Traitement statistique du signal pour les sources infrasonores Contexte : Dans le cadre de ses missions de surveillance, le CEA/DASE exploite en routine les données du SSI (Système de Surveillance International) mis en place dans le cadre de la vérification du TICE (Traité d'Interdiction Complète des Essais). A ce jour, plus de 70% des stations infrasons du SSI sont opérationnelles. Chaque station est constituée de plusieurs capteurs basse fréquence distants de ~100 m à 1 km. Pour certaines stations, plus de 10 ans d’enregistrements continus très basses fréquences (0.02-4 Hz) sont maintenant disponibles. Pour localiser une source, un des problèmes principaux est la détection en temps réel de la présence du signal dans du bruit ainsi que l’estimation de sa direction d’arrivée et de sa vitesse de propagation. Le front d’onde qui traverse la station est supposé plan. Le traitement est essentiellement basé sur l’estimation des décalages temporels entre capteurs de la station. Un algorithme utilisé est PMCC (Progressive Multi-Channel Correlation). Il est basé sur l’ajout progressif des capteurs en considérant des configurations triangulaires de dimensions croissantes. Cette méthode est à ce jour une référence internationale pour la détection et l'estimation des caractéristiques des signaux infrasonores.

Objectif de la thèse : Les retours d’expérience sur l’utilisation de PMCC montrent que les résultats sont parfois erronés. Les causes en sont notamment que l’algorithme de détection a été développé et optimisé pour des stations à géométrie optimale (nombre important de capteurs répartis de façon uniforme). Dans des situations dégradées, le traitement s’effectue avec un nombre réduit de capteurs qui ne sont pas uniformément répartis. De nouvelles méthodes sont explorées dans le but d’améliorer le détecteur. Pour la détection, on s'est intéressé au rapport de vraisemblance généralisé et pour l'estimation du couple azimut-vitesse horizontale, un estimateur du maximum de vraisemblance. Les algorithmes proposés sont à rapprocher d'algorithmes qui ont fait l'objet de publications récentes. Sur la base des résultats déjà obtenus, l’objectif de la thèse est de proposer des pistes d’amélioration de PMCC, parmi lesquelles l’amélioration de l’estimation des écarts de temps d’arrivée et la prise en compte de la topologie du réseau pour minimiser les erreurs d’estimation.

Déroulement de la thèse : Dans la continuité des travaux déjà réalisés, plusieurs pistes d’amélioration et méthodes alternatives seront explorées :

• estimation par corrélation temporelle des inter-délais entre capteurs, • approche adaptative du calcul des seuils de détection, éventuellement approche de type CFAR (Constant

False Alarm Receiver), • approche fréquentielle, • méthodes de fusion des résultats obtenus sur plusieurs cellules temps-fréquence, • analyse statistique des méthodes de maximum de corrélation, prenant en compte un a priori sur le contenu

spectral des signaux d'intérêt, • estimation/détection en présence de bruit coloré.

Dans un premier temps, pour évaluer les performances des différentes méthodes et critères de détection proposés, des bases contrôlées de signaux synthétiques et réels seront constituées. Elles seront représentatives des conditions réelles de détection, tant concernant la diversité des signaux que la variabilité du bruit de fond. Il sera alors demandé d’établir systématiquement des courbes ROC (Receiver Operating Characteristics) en dégradant progressivement la configuration des stations. Dans un second temps, ces méthodes seront évaluées sur des bases historiques d’enregistrements continus.

Compétences requises : Ce sujet convient à des étudiants intéressés par le traitement des données (traitement du signal, statistiques, méthodes d’inversion et d’optimisation), la propagation des ondes acoustiques et la géophysique. De bonnes aptitudes à la programmation sont appréciées. Ce travail se situant à la frontière entre plusieurs disciplines, il nécessite une capacité à interagir avec des experts de différents domaines.

Débouchés éventuels : Ce travail de thèse permettra à l'étudiant d'acquérir une expérience importante dans le domaine du traitement du signal, de la géophysique, et de la surveillance de l’environnement. S’effectuant en étroite liaison avec des réseaux scientifiques nationaux et internationaux, il devrait permettre au thésard d’établir de nombreux contacts pouvant offrir des débouchés dans le monde académique et industriel.

Directeur de thèse et école doctorale : Maurice Charbit - Telecom ParisTech Contact : Alexis Le Pichon – [email protected] CEA/DAM Ile de France – 01.69.26.40.00 Référence INSTN : SL-DAM-13-

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 17/130

Atmosphère et géophysique

Sujet :

Séries temporelles en interférométrie radar : nouvelles techniques de mesures de déformations Contexte : Les constellations de satellites radar actuels et futurs permettent d’acquérir un très grand nombre d’images sur une zone d’observation. Ainsi, les techniques de traitement des interférogrammes pour obtenir des mesures de déformation ont évolué afin de tirer avantage du grand nombre de données. Des techniques exploitant la redondance des interférogrammes (MuLSAR [3], SqueeSAR [2]) permettent d’améliorer significativement la qualité du signal de phase sur les interférogrammes. Un premier volet de la thèse consistera à la comparaison des différentes méthodes existantes : tout d’abord, d’un point de vue théorique par l’étude de la statistique de la phase sur les interférogrammes avant et après traitement ; ensuite d’un point de vue pratique à travers l’application de ces méthodes sur différents cas tests. Il conviendra ensuite d’exploiter au mieux ces méthodes afin d’obtenir in fine des mesures de déformation grâce aux techniques de type « Permanent Scatterers ». En particulier, cette méthode pourra être améliorée pour prendre en compte des modèles temporels de déformation plus variés que ceux proposés par cette technique.

D’autre part, les capteurs radar actuels fonctionnent avec des bandes de fréquence, des résolutions et des géométries d’acquisition différentes (métrique en bande X, pluri-métrique en bandes C et L). Il n’existe pas pour l’instant de méthode permettant d’exploiter conjointement ces données de nature différente. Le traitement de données interférométriques dans différentes bandes permettra d’améliorer considérablement les mesures de déformations tectoniques, qu’elles soient intersismiques, co-sismiques ou post-sismiques, car la sensibilité des capteurs aux déformations, leur résolution spatiale et leur temps de revisite diffèrent. En fusionnant ces différentes mesures, les déformations pourront être mesurées de manière plus complète et précise. En particulier, la bande L permettra d’étudier la déformation de zones à fort couvert végétal où les bandes C et X donnent un signal très bruité, alors que la bande X apporte une précision de mesure et une résolution meilleures que les deux autres bandes. De plus, l’analyse multi-bandes et multi-résolution pourra conduire à la caractérisation d’un objet en fonction du signal rétrodiffusé.

Objectif de la thèse : La thèse proposée a pour but d’améliorer les mesures de déformation à partir de grandes séries temporelles en interférométrie radar. Elle exploitera des interférogrammes produits à partir d’images de différents capteurs en bande L, C et X afin de fusionner les différentes informations. La thèse comparera et intégrera différents traitements en interférométrie radar pour obtenir une méthode robuste de traitement de séries temporelles d’interférogrammes. Les applications visées sont le suivi de déformations tectoniques ou anthropiques. Il conviendra également de progresser dans le domaine de la reconnaissance d’objets par imagerie radar.

Déroulement de la thèse : La thèse s’articulerait en trois volets : - Dans un premier temps, une étude bibliographique sera menée concernant les différentes méthodes de

traitement de séries temporelles (Permanent Scatterers/SqueeSAR/MuLSAR). - Etude d’une méthode de type Permanent Scatterers prenant en compte les différents types de capteurs.

Comparaison des méthodes MuLSAR et SqueeSAR. - Etude multi-capteur du signal rétrodiffusé d’un objet pour la reconnaissance de structures 3D.

Les données utilisées seront celles des satellites ALOS 2 (bande L, lancement prévu en janvier 2013), Sentinel (bande C, lancement prévu en 2013), TERRASAR-X et Cosmo-Skymed (bande X).

Références :

[1] Ferretti, A., C. Prati, and F. Rocca, Permanent Scatterers in SAR Interferometry, IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, VOL. 39, NO. 1, JANUARY 2001, p. 8-20

[2] Ferretti, A., Alfio Fumagalli, Fabrizio Novali, Claudio Prati, Fabio Rocca, and Alessio Rucci, A New Algorithm for Processing Interferometric Data-Stacks: SqueeSAR, IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, VOL. 49, NO. 9, SEPTEMBER 2011, p. 3460-3469

[3] Pinel-Puysségur B., R. Michel and J.-Ph. Avouac, Multi-Link InSAR Time Series: Enhancement of a Wrapped Interferometric Database, IEEE J. of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 5, 3, p. 784-794, doi:10.1109/JSTARS.2012.2196758

Contact : Béatrice Pinel-Puysségur - CEA/DAM/DIF - 01 69 26 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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18/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Atmosphère et géophysique

Sujet :

Variations latérales de sismicité micrustale le long d’un méga-chevauchement

Contexte : Les variations latérales de sismicité le long des failles actives chevauchantes sont suspectées traduire des variations latérales (1) de géométrie des structures tectoniques (e.g. variations de pendage, présences de rampes micrustale) et de leur cinématique (2) de la structure thermique qui contrôle la position de la transition fragile ductile sur la faille principale mais aussi (3) de l’état de contrainte local, un état de contrainte dépendant pour partie du stade du segment de faille dans le cycle sismique. De ce fait ces variations pourraient traduire la segmentation en aspérités cosismiques de ces failles, et par là même leur potentiel sismogène. Peu de contextes géodynamiques sont toutefois suffisamment bien connus pour que la contribution de chacun de ces mécanismes soit estimée.

Objectif de la thèse : Caractériser la segmentation en aspérité cosismique des failles chevauchantes au travers de l’étude des variations latérales de sismicité. Au même titre que Taiwan, les longmen Shan ou certaines régions du Japon, l’Himalaya du Népal apparaît être un des laboratoires naturels les plus propices à la résolution de cette problématique. En effet, les variations latérales de vitesses de raccourcissement sont résolues grâce à la présence de 25 stations cGPS et de mesures de la déformation intersismique par InSAR. Les variations latérales de structures tectoniques sont contraintes par des coupes équilibrées levées systématiquement au travers de la chaîne tandis que la structure thermique est contrainte par de nombreuses données pétrométamorphiques et thermochronologiques basse et moyenne température. La connaissance de l’état de contrainte local est très dépendante des fortes incertitudes sur l’extension de la rupture des séismes historiques. En revanche, malgré ses qualités indéniables, la sismicité issue du catalogue NSC-DASE, si elle présente des variations latérales bien résolues en terme de taux et de distribution fréquence/magnitude, ne présente pas une résolution suffisante pour estimer quelle part est présente : (a) dans la zone de cisaillement du grand chevauchement Himalayen, (b) dans les lobes d’augmentation de contrainte de Coulomb statique dans le hanging- et le foot-wall ou (c) sur des plans de ruptures distincts (e.g. sur des failles chevauchantes hors-séquence). Un travail de relocalisation de la sismicité locale s’avère donc nécessaire. Il intégrera une étape de confrontation/mixing des données locales acquises au réseau national NSC avec des données acquises par des réseaux temporaires denses (Hiclimb/Himnt/éventuel réseau temporaire dense Far West Nepal dans le cadre de l’ANR Bhutanepal …), une détermination des profondeurs des plus forts séismes par des données acquises à des distances télésismiques, ainsi que l’application de l’état de l’art en terme de technique de relocalisation.

Déroulement de la thèse : Les principales étapes de la thèse sont les suivantes :

- Intégration des données des réseaux temporaires et permanent en base. - Déploiement/acquisition réseau temporaire FarWestern Nepal si financé par ANR. - Détermination des profondeurs des plus forts événements micrustaux locaux enregistrés à distance télésismiques. - Inversion de forme-d’onde des plus forts séismes du réseau FarWestern Nepal le cas échéant. - Analyse des variations spatiales de la microsismicité micrustale. - Calcul des variations de contraintes statiques inter- cosismiques. - Confrontation des variations de sismicité avec les variations latérales de structures tectoniques/thermiques/état de

contrainte.

Directeurs de thèse et école doctorale : H. Lyon-Caen (ENS) Contact : [email protected] - CEA/DAM/DIF - 01 69 26 40 00 Cofinancement: LRC. ANR blanche Bhutanepal si financée en 2013 (sur liste d’attente en 2012)

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 19/130

Atmosphère et géophysique

Sujet :

Evaluation et optimisation des performances d’un réseau infrason global de surveillance de sources volcaniques

Contexte : Dans le cadre de ses missions de surveillance, le CEA exploite en routine les données du SSI (Système de Surveillance International) mis en place dans le cadre de la vérification du TICE (Traité d'Interdiction Complète des Essais). A ce jour, plus de 70% des stations infrasons (0.02 à 4 Hz) du SSI sont opérationnelles. Le retraitement de l’historique de ces données montre l’existence de nombreux signaux d’origines artificielles (explosions, activité industrielle) ou naturelles (houle océanique, météorites, volcans, séismes). Cette base de détections est unique et a jusqu’à présent été peu exploitée. Parmi ces sources, les volcans constituent des sources uniques référencées pour étudier la propagation, calibrer des modèles d’atmosphère et évaluer les capacités de détection et de localisation du réseau de surveillance. Par ailleurs, l’exploitation routinière de certaines stations du SSI montre clairement l’intérêt de ces données pour surveiller certaines zones géographiques (Equateur, Papouasie, Vanuatu…). Dans ce contexte, les expériences prototypes Acoustic Surveillance for Hazardous Eruptions (ASHE, projet américain), ou le projet Européen ARISE (Atmospheric dynamics InfraStructure in Europe) démontrent l’intérêt d’un tel système pour compléter les dispositifs existants de surveillance volcanique pour la sécurité du transport aérien.

Objectif de la thèse : Cette thèse a pour objectif d’évaluer les performances du réseau infrason existant du SSI pour détecter des volcans actifs. A partir de cette étude, des méthodes de recherche de configurations optimales de réseau de surveillance (nombre de stations, implantation) seront mises en œuvre. Elles devront tenir compte des effets conjugués de bruit de fond aux stations et de propagation des ondes dans l’atmosphère. L’apport de ces enregistrements par rapport à d’autres techniques de mesures (satellite, sismique, émission de gaz) sera évalué.

Déroulement de la thèse : Une analyse systématique et globale de l’historique des détections sera tout d’abord réalisée en exploitant des bulletins d’activité volcanique (Smithsonian Institution, USGS…). Des modèles opérationnels de vents et de température en altitude seront utilisés pour expliquer les variations saisonnières et diurnes des paramètres du front d’onde enregistré sur les stations. En tenant compte des caractéristiques des signaux enregistrés (fréquence, amplitude…) et des effets liés à la propagation, l’activité des volcans détectés sera décrites (intensité et durée des explosions). Des méthodes de classification neuronales pourront être utilisées pour l’identification des sources volcaniques. Une étude des performances du réseau existant en termes de capacité de détection et de localisation sera ensuite menée. Elle tiendra compte des variabilités saisonnières et journalières des conditions de propagation et des niveaux de bruit. Des méthodes globales d’optimisation de configuration d’un réseau (nombre de stations, implantation géographique) seront enfin mises en œuvre pour détecter et localiser avec un niveau de confiance donné des volcans peu instrumentés. Ces travaux permettront de quantifier les performances d’un réseau infrason pour surveiller à grandes distances, en complément d’autres systèmes d’observation, des sources éruptives dans des régions d’intérêts. Cette thèse sera menée en collaboration avec des observatoires volcanologiques (IPGP, Université de Florence). Des interactions avec le projet ARISE (http://arise-project.eu) seront encouragées.

Compétences requises : Ce sujet convient à des étudiants intéressés par la géophysique, la physique de l’atmosphère, la propagation des ondes acoustiques et le traitement des données (traitement du signal, méthodes d’inversion et d’optimisation). Ce travail se situant à la frontière entre plusieurs disciplines, il nécessite une capacité à interagir avec des experts de différents domaines.

Débouchés éventuels : Ce travail de thèse permettra à l'étudiant d'acquérir une expérience importante dans le domaine de la géophysique, de la surveillance de l’environnement et du traitement du signal. S’effectuant en étroite liaison avec des réseaux scientifiques nationaux et internationaux, il devrait permettre au doctorant de nombreux contacts pouvant offrir des débouchés.

Directeurs de thèse et école doctorale : Alexis Le Pichon CEA/DAM/DIF - Elisabeth Blanc CEA/DAM/DIF Ecole doctorale de l’IPG-Paris

Contact : Alexis Le Pichon - CEA/DAM/DIF - 01 69 26 40 00

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20/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Atmosphère et géophysique

Sujet :

Contribution à la discrimination de source et à la caractérisation de la propagation sismique régionale par analyse en réseau 3 composantes

Contexte :

Ce sujet se place dans la continuité des thèses portant sur le traitement d'antenne sismologique déjà effectuées en collaboration avec les laboratoires Isterre et Gipsa Lab de Grenoble (Schissele E. 2002, Schissele et al. 2003).

Dans le cadre du Traité d'Interdiction Complète des Essais nucléaires (TICE), un réseau global de stations de détection a été mis en place afin de certifier le bon respect des accords. Les réseaux de faible ouverture (mini-réseau ou antenne) ont une importance primordiale grâce à leur haut niveau de détection. Le CEA dispose d'une solide expérience dans le domaine du traitement d'antennes sismique et infrason. Les algorithmes d’analyse d’antenne développés par le CEA (Cansi 1995) sont reconnus par la communauté scientifique et sont utilisés en traitements temps réel et interactifs au Centre International de Données à Vienne.

Objectif de la thèse :

A distance régionale, les caractéristiques du signal sismique qu’elles soient temporelle, fréquentielle ou énergétique sont très fortement contrôlées par la propagation, et notamment le scattering, dans les milieux hétérogènes que sont la croute et la lithosphère. De plus, la caractérisation d’événements de toujours plus faible magnitude impose de travailler, d’une part, sur une gamme de fréquences élevées, mais aussi, avec des signaux enregistrés à distance régionale, dans des domaines fréquentiel et spatial où l’effet de la variabilité de la propagation est le plus marqué. Cette complexité de la propagation régionale peut rendre totalement inefficace l’utilisation de discriminants classiques du type rapport d’énergie P/S (Pn/Lg, etc..), notamment lorsque certaines phases présentent une très forte atténuation (blocage des phases Lg).

L’analyse par traitement d’antenne sismique a démontré depuis longtemps son intérêt pour la surveillance sismique notamment dans le cadre du TICE. Récemment, plusieurs études ont souligné l’intérêt que pourrait constituer l’extension de ces méthodes de traitement en réseau à des réseaux de stations sismiques 3 composantes. En effet, l’introduction d’informations relatives à la polarisation des ondes a fourni des résultats encourageants notamment en termes de séparation et caractérisation du champ d’onde sismique (Hobiger et al 2011), de localisation et d’identification des sources du scattering (Nishigami and Matsumoto 2008) mais aussi de discrimination (Gibbons et al 2011 ou Kim et al 1997).

L’objectif de cette thèse est double. Tout d’abord, elle aura pour ambition la mise en place d’une nouvelle approche intégrant dans un même outil les techniques d’antenne haute résolution avec l’analyse de la polarisation du champ d’onde sismique à partir de réseau de stations 3 composantes. D’autre part, elle s’intéressera à montrer l’apport de cette nouvelle approche en termes de séparation et d’analyse du champ d’onde régional (identification et origine du scattering) mais aussi de discrimination de la source sismique.

Déroulement de la thèse :

Dans un premier temps, l'étudiant reprendra l'ensemble des programmes disponibles au sein de LDG et traitera des données provenant de simulations numériques et de données réelles 3 composantes de l’expérimentation Mongolie de 2007-2008. Il effectuera en parallèle une étude bibliographique poussée de différentes approches actuellement opérationnelle dans les laboratoires de référence.

Ces programmes de traitement seront étendus en deux puis trois composantes pour tester la validité de ces algorithmes (1D à 3D) et effectuer des comparaisons de détectabilité bas niveau des ondes de surface.

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 21/130

Ces développements méthodologiques seront intégrés à un code de traitement interactif permettant de comparer l'efficacité de séparation des différents algorithmes.

Au final, il y aura la rédaction du mémoire de thèse ainsi que de 1 ou 2 articles de rang A.

Après une analyse bibliographique des méthodes existantes, le doctorant pourra être amené à évaluer plusieurs prototypes logiciels puis à concevoir et développer une maquette qu'il s'agira d'évaluer. L'ensemble de ce travail se déroulera dans un contexte opérationnel qui fournira un cadre de test particulièrement stimulant.

Directeurs de thèse et école doctorale : O. Sèbe - CEA/DAM/DIF J. Guilbert - CEA/DAM/DIF S. Gaffet - Ecole Doctorale de l’Université de Nice-Sophia Antipolis

Contact : Olivier SEBE - CEA/DAM/DIF - 01 69 26 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : Demande en cours avec l’Université de Nice

Bibliographie :

Hobiger, M.; Cornou, C.; Bard, P. & Le Bihan, N. MUSIQUE: A quaternion-based array processing technique for surface wave polarization analysis Statistical Signal Processing Workshop (SSP), 2011 IEEE, 2011, 5 -8

Kim, W.-Y.; Aharonian, V.; Lerner-Lam, A. L. & Richards, P. G. Discrimination of earthquakes and explosions in southern Russia using regional high-frequency three-component data from the IRIS/JSP Caucasus network, bssa, 1997, 87, 569-588

Gibbons, S. J.; Schweitzer, J.; Ringdal, F.; Kvaerna, T.; Mykkeltveit, S. & Paulsen, B. Improvements to Seismic Monitoring of the European Arctic Using Three-Component Array Processing at SPITS, bssa, 2011, 101, 2737-2754

E. Schissele , J. Guilbert , S. Gaffet , Y. Cansi, 2003 Accurate Time-Frequency-Wave Number analysis to study Coda Waves. G. J. Int., Vol. 158, Issue 2, Page 577-591, Aug 2004.

E. Schisselé, 2002 ANALYSE ET CARACTERISATION DES PHASES SISMIQUES REGIONALES ENREGISTREES PAR DES ANTENNES DE CAPTEURS, thèse, Sophia-Antipolis

Y. Cansi, 1995 An automatic seismic event processing for detection et location: The PMCC method, Geophys. Res. Lett., vol 22, no 9, pp 1021-1024

Nishigami, K. & Matsumoto, S. Dmowska, R. (ed.) Chapter 11 Imaging Inhomogeneous Structures in the Earth by Coda Envelope Inversion and Seismic Array Observation Earth Heterogeneity and Scattering Effects on Seismic Waves, Elsevier, 2008, 50, 301 - 318

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22/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Atmosphère et géophysique

Sujet :

Modélisation et simulation rapide de la propagation des ondes de souffle aériennes en environnement complexe Contexte :

Lors d’une explosion (libération soudaine d’une quantité finie d’énergie) une onde de souffle est générée. Cette onde mobile, caractérisée par un choc (surpression brutale) suivi d’une zone de détente (retour à l’équilibre), interagit avec les éléments géométriques en présence en se réfléchissant, se diffractant ou se recombinant. La forme du train d’onde devient alors complexe, rendant difficile voire impossible une estimation a priori des effets des explosions hors cas triviaux. Le CEA a donc développé deux voies d’expertise. La première est basée sur la simulation numérique instationnaire et tridimensionnelle des équations d’Euler. Compte tenu des différentes échelles caractéristiques en jeu, ces simulations nécessitent plusieurs milliards de mailles et sont rendues possibles uniquement grâce aux logiciels et aux supercalculateurs massivement parallèles du CEA/DAM. La seconde, plus récente, est basée sur une équation d’évolution locale d’un front de choc (modèle GSD de Whitham). La dimension du problème est ainsi réduite et des méthodes rapides (de type Fast-Marching) ont pu être mises au point. Cette approche, très prometteuse, est aujourd’hui limitée à des configurations académiques où seul le premier passage de l’onde est pris en compte et l’effet d’atténuation du choc par les détentes arrière est négligé.

Objectif de la thèse :

Dans l’optique de mettre au point une méthode rapide d’estimation de l’effet des ondes de souffle en environnement complexe (obstacles, nature du sol, air en mouvement…), nous proposons de développer plus avant cette seconde voie. Il s’agira de s’approcher au plus près des caractéristiques des simulations Euleriennes, avec un temps de restitution réduit de plusieurs ordres de grandeur. Il faudra pour cela intégrer les éléments de physique encore absents du modèle (effet des détentes arrières, nature du sol, atmosphère variable, temps d’arrivée multiples), proposer des évolutions de l’algorithme de résolution actuel, et développer des méthodes de raccord à d’autres approches (en amont : calcul de la source par méthode Eulerienne puis mise en œuvre de la méthode rapide, en aval : transmission des champs aux méthodes de propagation acoustiques).

Ce projet est original par la place centrale qu’il occuperait dans une chaîne d’aide à la décision et par la synthèse attendue entre modélisation physique, analyse mathématique du modèle et résolution numérique.

Déroulement de la thèse :

Les principales étapes de la thèse sont les suivantes : - Recherche bibliographique sur les méthodes rapides de propagation des ondes de souffle et appropriation

par l’étudiant des travaux antérieurs ; - Proposition de modèles physiques et de raccord, analyse mathématique du modèle résultant et définition

de méthodes numériques de résolution ; - Validation par comparaison aux expériences connues et aux simulations Eulériennes ; - Publications, congrès, rédaction du mémoire.

Ce sujet nécessite des compétences en mécanique des fluides, analyse numérique et modélisation, ainsi qu’une capacité à interagir avec différents experts de ces domaines.

Directeur de thèse et école doctorale : Régis Monneau, CERMICS, Ecole Nationale des Ponts et Chaussées

Contact : Nicolas Lardjane - CEA/DAM/DIF - 01 69 26 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : CEA / Ecole Nationale des Ponts et Chaussées

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 23/130

Atmosphère et géophysique

Sujet :

Etude de tsunamis générés par des déstabilisations gravitaires : applications pour les côtes françaises Contexte : Les tsunamis dus à des sources gravitaires (glissements sous-marins, effondrements de flancs ou explosions volcaniques, chutes de falaises) produisent généralement des vagues très hautes, donc des dégâts très importants, près de la source. Mais les longueurs d'onde caractéristiques sont plus courtes, et la dispersion fréquentielle implique peu d'effets à grande distance.

Au large des côtes françaises de l'Atlantique, des cicatrices importantes de déstabilisations ont été caractérisées par Ifremer. Leur potentiel tsunamigénique est à discuter, tout comme d'éventuels effets à la côte. L'objectif principal de cette thèse est de travailler sur ces sources potentielles avec des outils de simulation numérique, en partenariat avec Ifremer, pour mieux caractériser le potentiel tsunamigénique de ces structures, et leurs éventuels effets à la côte.

Objectif de la thèse : Etude de tsunamis générés par des déstabilisations gravitaires : applications pour les côtes françaises. Les méthodes de simulation des tsunamis générés par des effondrements sous-marins ou aériens ont été développées au CEA pour mieux comprendre les phénomènes physiques au moment de la déstabilisation, pour simuler les vagues éventuellement générées, et en étudier les effets sur les côtes, notamment les inondations (calcul de run-up).

Les codes actuellement distincts permettent d’une part de modéliser l’initiation et la propagation en champ proche, d’autre part, de rendre compte d’une propagation considérant la dispersion fréquentielle propre aux ondes générées (courtes par rapport à la profondeur d’eau). Des développements numériques récents ont repris les codes tenant compte de cette dispersion fréquentielle pour préparer leur parallélisation, ce qui autorisera à terme des calculs à plus longue distance de la source.

La méthode de simulation des effondrements gravitaires tsunamigéniques a déjà permis d’étudier des effondrements récents majeurs (aéroport de Nice, 1979 ; Papouasie Nouvelle Guinée, 1998) ou plus modestes (Fatu Hiva, Marquises, 1999), et a été également utilisée en collaboration avec l’IPG de Paris sur des problématiques d’effondrements de flancs volcaniques.

Déroulement de la thèse : Dans le cadre de cette thèse, un premier volet concernera des développements et tests des outils existants pour stabiliser les méthodes, et éventuellement les paralléliser, par exemple vis-à-vis des benchmarks numériques définis dans le cadre du projet européen TRANSFER. Le couplage avec les codes dispersifs sera réalisé et testé vis-à-vis de données en champ lointain, rarement modélisées (ex : observations de l’événement de Nice en 1979, enregistré sur plusieurs marégraphes distants, ou bien observations marégraphiques au Japon du tsunami majeur de Papouasie en 1998, dû à un glissement sous-marin, qui produisit 15 m de run-up près de la source).

De nombreux chantiers d’application sont envisageables, dans le cadre soit de projets auxquels le CEA participe, soit de collaborations universitaires existantes. Le CEA prépare ainsi une réponse à l'appel à projets "Recherches en matière de Sûreté Nucléaire et Radioprotection" dans lequel un volet d'estimation des risques de tsunamis, dus à des déstabilisations gravitaires en Atlantique, sera réalisé en partenariat avec Ifremer. Dans le cadre des futurs projets européens sur les tsunamis (appel à projets de juillet 2012), des collaborations se monteront sur la thématique, par exemple avec des collègues espagnols qui travaillent sur des grands effondrements identifiés en Méditerranée (collaboration possible, initiée lors du projet TRANSFER, avec l’Université de Barcelone).

L’ensemble des chantiers étudiés permettra d’améliorer nos connaissances sur les processus d’effondrements et sur leurs impacts hydrauliques, que ce soit pour mieux connaître la mécanique des déstabilisations, ou pour en estimer les effets en termes de tsunami sur les côtes exposées.

Les collaborations prévues (France et étranger) sont déjà établies et permettront au candidat d’étoffer ses connaissances en physique des effondrements et en estimation des risques de tsunami, tout en ouvrant des perspectives pour ses travaux ultérieurs.

Directeur de thèse et école doctorale : Anne LE FRIANT – [email protected] Institut de Physique du Globe de Paris

Contact : Hélène HEBERT – [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01 69 26 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13

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24/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Atmosphère et géophysique

Sujet :

Simulation numérique de l’ablation liquide Contexte : Lors de sa rentrée dans l'atmosphère d'une planète, un engin spatial, tel qu’une sonde par exemple, subit un freinage important du aux frottements des gaz atmosphériques. Par conversion de l'énergie cinétique en énergie thermique l'engin va également s'échauffer. Pour pallier cette élévation de température et afin de garantir l'intégrité de la structure, la face de la capsule qui subit le freinage est recouverte d'un bouclier thermique en matériaux composites permettant d'absorber en grande partie le flux thermique. Un composite est un assemblage de deux matériaux dont l'un assure la tenue mécanique, les fibres de carbone, et l'autre la cohésion de la structure, la résine. Sous l'effet de l'échauffement la résine se liquéfie et la structure en carbone s'ablate. On peut ainsi observer à la surface du bouclier la formation de rugosités dans lesquelles s'écoule la résine liquide ainsi que les gaz atmosphériques. La dynamique de ces écoulements de type diphasique peut être complexe. En effet de nombreux phénomènes entrent en jeu, et la paroi du corps est le siège de phénomènes physico-chimiques complexes, globalement appelé ablation. On peut citer le changement de phase, la turbulence (ou non) de l'écoulement, l'apparition de points triples (interface solide-gaz-liquide) ou encore les effets de tension de surface par exemple. Afin de mieux comprendre la phénoménologie de cette phase d’ablation, le développement d’un outil de simulation adéquat apparaît indispensable, et ceci passe par le développement de méthodes numériques novatrices et performantes.

Objectif de la thèse : Cette thèse a pour objectif de développer une méthode numérique permettant de simuler la phase d’ablation d’un matériau solide à la fois sous forme liquide ou sous forme gazeuse, et donc l’évolution simultanée de trois phases en même temps que leurs interactions.

Déroulement de la thèse : La problématique de cette thèse est riche et les problèmes numériques sont nombreux de par la diversité des phénomènes physiques à traiter. En outre, la topologie des interfaces entre chaque phase pouvant devenir complexe, ceci rend très délicate, voire impossible, l’utilisation des techniques classiques de grilles curvilignes structurées s’appuyant sur la paroi du solide et se déplaçant avec lui. On fait donc le choix d’utiliser soit des grilles cartésiennes, soit des maillages non-structurés, certaines interfaces étant traitées par des techniques Level-Set. Enfin, les géométries seront traitées en 3D.

Les travaux de thèse se déclinent comme suit. Une première étape consiste en la mise au point d’une méthode volumes finis sur maillage non-structuré permettant de traiter les écoulements diphasiques compressible-incompressible. L’aspect diphasique sera traité par une méthode d’interface diffuse. Le caractère incompressible de la phase liquide sera pris en compte dans le modèle compressible en utilisant un schéma de type All-Speed pour le calcul des flux numériques. Une étude préliminaire en 1D permettra d’identifier quelques points durs dus à cette stratégie. Afin de valider l’approche, nous disposons de nombreux cas tests. L’extension en 2D puis 3D sera réalisé par la suite.

Une deuxième étape sera constituée par la résolution du couplage fluide-solide. Dans un premier temps, on pourra utiliser une technique de volumes finis sur grille cartésienne pour simuler la thermique dans le solide. Celle-ci, déjà éprouvée et validée en 2D, devra être étendue en 3D. Dans ce cas, on s’appuiera sur une méthode Level-Set pour suivre l’interface. Dans un second temps, on utilisera une méthode de volumes finis ou d’éléments finis sur maillage non-structuré pour la thermique du solide. Cette fois, une technique de propagation de maillage par suivi de front sera utilisée. Dans les deux cas, la coexistence de plusieurs types de conditions limites à l’interface fluide-solide devra être prise en compte. Notamment, on étudiera les changements de phase solide-gaz et solide-liquide. Dans le cas solide-gaz, une cinétique chimique sur l’interface pourra être envisagée.

Une troisième étape sera fournie par l’étude numérique des points triples, points de contact entre gaz, liquide et solide. Il faudra introduire une condition limite adaptée. La méthode numérique devra être capable de simuler l’arrachement de gouttes de liquide à la paroi sous l’effet d’un écoulement cisaillé. Elle doit permettre de simuler la dynamique de la déformation de la goutte, puis sa mise en mouvement en reproduisant ainsi le passage d’une phase de contact statique à une phase de contact dynamique.

Des aspects plus algorithmiques et informatiques constitueront la dernière étape. En effet, afin de simuler des configurations réalistes a priori 3D, le logiciel développé devra alors s’appuyer sur une parallélisation massive. Par exemple, on pourra utiliser la librairie Petsc pour les solveurs linéaires.

Directeur de thèse et école doctorale : Thierry COLIN (Université de Bordeaux I/IMB) Contact : Gérard Gallice – CEA/CESTA Référence INSTN : SL-DAM-13-  

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 25/130

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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26/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Sujet :

Développement d’un code de calcul Particle-In-Cell couplé à un modèle de cinétique chimique de l’air pour l’étude de la génération et de la propagation de champ EM en environnement ionisé

Contexte : Les expériences d'interaction entre un rayonnement X et la matière, mettent en œuvre plusieurs diagnostics comportant des systèmes électroniques. Ces derniers peuvent subir des perturbations et conduire à de mauvaises interprétations des signaux mesurés. Il est donc nécessaire, pour se protéger contre ces perturbations, de bien connaître leur origine physique.

Objectif de la thèse : L'objectif de cette étude est de quantifier les perturbations d'origine électromagnétique sur des systèmes électroniques dans un environnement mixte constitué d'une part, de champs électromagnétiques impulsionnels, et d'autre part, de rayonnements ionisants (rayonnements X, électrons).

Deux mécanismes peuvent générer des perturbations lorsqu'un rayonnement X interagit avec un système électronique :

- des phénomènes d'ionisation induits par le rayonnement X dans le silicium (génération de paires électron - trou),

- des courants parasites générés par le couplage de champs électromagnétiques avec les éléments conducteurs (câbles d'alimentation, pistes de circuits imprimés...). Les champs électromagnétiques étant générés à la suite de l’interaction des rayonnements X avec les matériaux constitutifs du système testé.

C'est ce deuxième aspect qui sera étudié plus en détail dans le cadre de cette thèse.

Plus précisément, l’objectif de ce travail est d’étudier l’influence de l’air ambiant sur la génération et la propagation de champs électromagnétiques. En effet, la modification des propriétés du milieu ambiant du fait des phénomènes d’ionisation par les rayonnements X a pour effet de modifier les champs électromagnétiques et leur propagation dans le milieu.

Déroulement de la thèse : Dans une première phase, le candidat devra faire le bilan des différents schémas numériques existants permettant le couplage de la dynamique des particules chargées dans un champ électromagnétique avec un modèle de cinétique chimique du milieu ambiant.

Dans une deuxième phase, le candidat devra développer le code PIC-cinétique permettant le calcul de la dynamique des particules dans le champ EM pour différentes conditions de pression du milieu ambiant.

Dans une troisième phase, les résultats du code de calcul seront confrontés aux résultats expérimentaux effectués sur les moyens de génération de rayonnement X du CEA/Gramat. Les expérimentations permettront notamment, au candidat, de développer des capteurs de champs intrinsèquement durcis aux rayonnements ionisants.

Directeur de thèse et école doctorale : à définir

Contact : Maxime Ribière – CEA/Gramat – 05 65 10 54 32

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Electromagnétisme Electromagnétisme

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 27/130

Electromagnétisme

Sujet :

Prise en compte des Incertitudes dans les codes de couplages électromagnétiques

Contexte :

Le calcul des interférences électromagnétiques sur un système complexe à forte densité d’électroniques et d’interconnexions est un défi majeur dans le domaine de la compatibilité électromagnétique (CEM) depuis de nombreuses années. Aujourd’hui, si la modélisation déterministe a fait l’objet de progrès considérables depuis ces dernières années, il devient indispensable d’estimer les différentes incertitudes liées à ces calculs pour aller vers une simulation dite « qualifiante ». L’objectif de cette thèse est précisément d’élaborer des stratégies de calcul innovantes visant à estimer le plus efficacement possible les résultats statistiques pertinents représentatifs de ces incertitudes sur le plan de la CEM. Pour cela on cherchera à définir les méthodes à utiliser, puis les méthodes les plus pertinentes seront développées et appliquées aux principaux logiciels de couplages électromagnétiques du CEA/Gramat (différences finies et éléments finis de type Galerkin discontinu dans le domaine temporel).

Objectif de la thèse :

Dans le cadre de cette thèse, il s’agira de faire le point sur ces différentes approches et d’en développer les applications sur des cas tests pertinents dans le contexte de la CEM. L’analyse reposera ensuite sur des expériences entièrement numériques qui seront confrontées avec une approche expérimentale.

Déroulement de la thèse :

Le déroulement de la thèse pourrait alors être le suivant :

- Analyse bibliographique : elle sera, sur ce sujet, particulièrement importante. Les résultats de cette analyse devront permettre de faire le point sur les techniques d’estimation et de propagation des incertitudes dans le domaine des systèmes d’équations différentielles linéaires.

- Dans un second temps, une famille de problèmes typiques d’une configuration CEM d’intérêt sera sélectionnée aux fins d’études approfondies. Il sera recherché une méthode spécifique de calcul s’inspirant des techniques inventoriées ou en émettant de nouvelles propositions. La validation de ces méthodes sera recherchée sur le plan numérique en prenant en compte comme support des codes de calculs déterministes disponibles au CEA/Gramat. Les méthodes les plus pertinentes seront développées et appliquées aux principaux logiciels de couplages électromagnétiques du CEA/Gramat (différences finies et éléments finis de type Galerkin discontinu dans le domaine temporel).

Enfin, on recherchera également les moyens d’une validation expérimentale de la ou des méthodes proposées. Là encore, la variété des moyens expérimentaux du CEA/Gramat pourra être avantageusement mise à profit.

Directeur de thèse et école doctorale : Pierre Bonnet – LASMEA – Université Blaise Pascal Clermont-Ferrand Ecole doctorale : ED 070 Sciences pour l’ingénieur

Contact : CEA/Gramat – Bernard PECQUEUX – 05 65 10 54 32

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : DGA

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28/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Electromagnétisme

Sujet :

Etude et conception d’une source micro-ondes de forte puissance de type magnétron relativiste à cathode transparente et à extraction axiale

Contexte :

Les sources relativistes capables de générer des impulsions micro-ondes de fortes puissances (plusieurs centaines de MW en mode récurrent) font l’objet de nombreuses études et expérimentations dans différents laboratoires universitaires et étatiques pour les besoins de la physique (accélérateurs) et de la défense (futures armes à énergie dirigée). Différentes familles de technologies sont explorées selon la fréquence d’utilisation, le niveau de puissance, la durée des impulsions, les modes de propagation dans les guides d’extractions, les caractéristiques d’excitation (tensions et impédances d’entrée) et les niveaux de compacité visés.

Parmi ces différentes sources, le magnétron relativiste fait l’objet d’un regain d’intérêt compte tenu de ses potentialités en termes de rendement et d’accordabilité. Des travaux récents ont ouvert un nouveau champ d’investigation grâce à l’utilisation de géométries particulières des cathodes (cathodes creuses) pouvant être associées à une extraction axiale. Ce type de cathodes permet une meilleure répartition des champs dans la zone de couplage, se traduisant par un démarrage plus rapide, un risque moindre de compétition de modes et un meilleur rendement. L’extraction axiale permet une meilleure compacité (pas de guides radiaux émergeants au niveau de l’inducteur), et permet d’exciter un guide ou un coaxial circulaire, adapté à certains types d’antennes, voire d’exciter directement une antenne dite à diffraction et faisant corps avec le magnétron.

Objectif de la thèse :

Cette thèse a pour objectif l’exploration des potentialités du magnétron relativiste de type cathode transparente associé à une extraction axiale pouvant être de type guide d’onde circulaire (mode TM01) et coaxial (mode TEM).

Les objectifs concernent le rendement (≥ 50% visé), la rapidité de démarrage, la puissance de sortie (plusieurs centaines de MW), les durées d’impulsions, avec une contrainte forte de compacité (impliquant l’utilisation d’un faible champ magnétique et d’une géométrie optimale). Les fréquences d’intérêt vont de la bande S à la bande X.

Déroulement de la thèse :

Le doctorant conduira une étude bibliographique et une analyse critique des publications étrangères sur le sujet (notamment les publications récentes de l’Université du Nouveau Mexique ‘UNM’ aux USA) ; à son issue, il proposera une géométrie optimale et il conduira l’étude et la conception d’un prototype de magnétron présentant le meilleur compromis performances-compacité.

Ces travaux se fonderont à la fois sur une approche théorique et sur une approche numérique 3D en profitant des moyens de calculs importants du CEA/Gramat. Au terme de cette première phase, un prototype compatible avec les moyens d’essais associés (générateur répétitif, antenne) sera fabriqué et évalué grâce à des essais et des mesures qui seront effectués sur le site du CEA/Gramat.

Directeur de thèse et école doctorale :

Contact : CEA/Gramat - René Vézinet - 05 65 10 54 32

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : DGA

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 29/130

Electromagnétisme

Sujet :

Caractérisation de l’évolution dans le temps (vieillissement) des caractéristiques et du fonctionnement des composants électroniques soumis à des agressions électromagnétiques

Contexte :

La dépendance de plus en plus grande des systèmes modernes au bon fonctionnement de composants électroniques et optroniques d’une part et la progression de l’utilisation des ondes électromagnétiques d’autre part conduit à s’interroger sur les effets de ces dernières sur les circuits électroniques. Ce sujet est actuellement couvert en termes d’environnement de fonctionnement par les spécialistes de la compatibilité électromagnétique. Il est également abordé sous un angle différent par la Défense dans le domaine des armes à énergie dirigée. Cependant la question de l’éventuel vieillissement accéléré de composant soumis à des champs électromagnétiques réguliers et quelques fois intenses, est mal cernée.

Objectif de la thèse :

L’objet de la thèse est de caractériser l’évolution dans le temps (vieillissement) du comportement et des caractéristiques des composants électroniques soumis à des agressions électromagnétiques. Il s’agit de vérifier les différents paramètres intrinsèques des composants mais également de surveiller leur état fonctionnel lorsque ces composants sont soumis à des agressions électromagnétiques récurrentes. Plusieurs types de composants représentatifs des familles de composants utilisées dans les systèmes électroniques actuels seront étudiés au regard des différentes familles d’agressions électromagnétiques. Une attention particulière sera portée sur la famille des agressions électromagnétiques intentionnelles.

Déroulement de la thèse :

Le doctorant conduira une étude bibliographique et une analyse critique des publications françaises et étrangères sur le sujet ; à son issue, il proposera une sélection des composants à étudier et des agressions à considérer (incluant une définition des agressions électromagnétiques intentionnelles fournie par le CEA/Gramat). Il établira ensuite un plan d’expérience visant à mettre en évidence les paramètres prépondérants du phénomène de vieillissement vis-à-vis de ces agressions électromagnétiques. Sur ces bases, il établira un protocole d’expérimentations visant à déterminer le comportement d’un composant donné en terme de vieillissement électromagnétique.

Directeur de thèse et école doctorale : à définir

Contact : CEA/Gramat - Patrick Hoffmann - 05 65 10 54 32

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : DGA

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30/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Electromagnétisme

Sujet :

Modélisation de métamatériaux

Contexte :

Dans le cadre de ses missions, le CEA/CESTA développe depuis des années des outils de simulation dans le domaine de la furtivité électromagnétique. Le domaine traité est celui de la diffraction d’ondes planes mono-fréquentielles en milieu non borné. Les codes de calcul traitant de cette problématique au CESTA sont basés sur la résolution des équations de Maxwell dans le domaine fréquentiel. Ils diffèrent par leurs périmètres d’utilisation et les méthodes numériques qui y sont mises en œuvre.

Lorsque l’on évoque la furtivité radar d’objets, on doit également aborder le sujet des matériaux à propriétés électromagnétiques. On parle de matériaux complexes magnétiques hyperfréquences. Ces matériaux peuvent présenter une perméabilité magnétique hyperfréquence µ très différente de l’unité sur certaines plages de fréquences. Le développement récent des métamatériaux a clairement montré que des inclusions ingénieusement conçues pouvaient elles aussi constituer des matériaux qui présentent une perméabilité hyperfréquence très différente de l’unité, sans contenir aucun matériau magnétique. Les métamatériaux ne présentent des niveaux élevés de perméabilité qu’au voisinage de la fréquence de résonance. Ces propriétés des métamatériaux sont basées sur la présence dans le matériau de résonateurs électriques et magnétiques de dimensions très inférieures à la longueur d’onde. Ces résonateurs sont capables de générer dans le matériau une permittivité et une perméabilité négative.

Objectif de la thèse :

L’objectif de la thèse sera de développer des modèles d’homogénéisation pour ce nouveau type de matériau et intégrer ces modèles dans les codes d’Electromagnétisme existants.

Directeur de thèse et école doctorale : Patrick Joly

Contact : O. Vacus ou D. Goudin – CEA/CESTA

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : CEA-INRIA

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 31/130

   

   

   

   

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32/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Sujet :

Etude des effets de microdose induits par des protons ou des neutrons dans les isolants des technologies microélectroniques avancées Contexte : La fiabilité des composants électroniques est l’un des obstacles majeurs à l’utilisation de technologies fortement intégrées en environnement radiatif. L’interaction des particules avec les composants à semi-conducteur génère des charges parasites. Dans le semi-conducteur elles sont collectées par les zones de champ des transistors élémentaires. Dans les isolants, ces charges sont piégées et perturbent fortement le fonctionnement électrique des composants. Ces effets de piégeage viennent renforcer la sensibilité aux changements d’état logiques dans les cellules mémoires, ou aux signaux parasites qui se propagent le long des chaînes de portes dans les circuits logiques. Des techniques de durcissement pénalisantes doivent alors être mises en place, pour pallier à la sensibilité des composants. Les effets de microdose ont été décelés récemment dans des composants de puissance, mais semblent concerner tous les composants contenant des couches d’isolant très minces. L’intégration des technologies fait que tous les composants sont dans ce cas, que les normes de tests actuelles sont remises en cause et que le besoin de compréhension des mécanismes physiques à l’origine de cette augmentation de sensibilité doit être étudiés dans les meilleurs délais. Les deux derniers points font l’objet du travail de thèse proposé. 

Objectif de la thèse : La thèse proposée s’intègre dans le cas d’une étude globale dont l’objectif est la capacité à modéliser les effets des rayonnements dans les composants mircoélectroniques avancés. Nos outils de simulation se doivent d’être prédictifs, il faut donc pouvoir prendre en compte tous les modèles d’ionisation possibles en fonction des interactions particules-matériaux pour les technologies les plus avancées.

Le travail de thèse consistera à déterminer les paramètres responsables de l’effet des irradiations protons et neutrons sur la sensibilité des composants en fonction de leur intégration. L’étudiant analysera les données expérimentales disponibles dans la littérature relative à la sensibilité accrue des composants avancés aux fluences de protons ou de neutrons. Il s’attachera également à montrer les effets de l’énergie des particules et de leur angle d’incidence sur la réponse des composants électroniques. L’étudiant devra donc faire appel à des connaissances sur l’interaction particules – matière et sur la physique du semi-conducteur.

Déroulement de la thèse : La thèse se déroulera sur trois ans selon trois étapes principales :

1) Étude bibliographique et premiers calculs (6 mois) Les trois premiers mois de la thèse seront consacrés à l’analyse de la bibliographie sur les résultats expérimentaux récents décrivant ce mécanisme de microdose, ou sensibilité accrue aux irradiations protons et neutrons. Au cours des trois mois suivants, l’étudiant analysera les modèles d’interaction particule-matière dans le contexte spécifique des particules de type protons et neutrons impactant les matériaux utilisés dans les technologies microélectroniques avancées. Cette première étape permettra de quantifier le besoin d’analyse, d’expériences et de modélisation, et conditionnera les travaux de la thèse.

2) Expériences d’irradiation de composants Pendant environ deux ans, l’étudiant préparera et réalisera des expériences en fonction des types de faisceaux de particules accessibles et de la disponibilité des machines d’irradiation. Les mesures seront réalisées sur des transistors élémentaires ou des mémoires de génération 50-70 nm jusqu’à 250 nm. En particulier des raffinements de techniques de mesure existantes sont à envisager (maquettes spécifiques, mesures indirectes, etc.) parfois en collaboration avec d’autres laboratoires, au sein de nos collaborations actuelles.

3) Simulations numériques En parallèle des expériences, l’étudiant s’attachera à analyser et modéliser les résultats expérimentaux. Il réalisera des simulations physiques sur la réponse des composants électroniques et il améliorera les modèles existants. Le but de ces analyses sera d’établir les limites de la norme de test actuelle, et de proposer des techniques de test prédictives pour les générations futures de composants électroniques en environnement radiatif.

Directeur de thèse : Arnaud BOURDEL (IEF)

Contact : Philippe PAILLET – [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01 69 26 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Electronique

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 33/130

Sujet :

Etude à l’échelle atomique de l’effet du déplacement atomique induit par des irradiations aux ions lourds dans la dégradation des propriétés des composants électroniques Contexte : Les irradiations aux ions lourds (« Swift Heavy Ion »-SHI) de composants microélectroniques peuvent entraîner différentes sortes de dégradations qui pour la plupart sont caractérisées par une augmentation du courant de fuite au travers des couches isolantes du composant. Ces effets auront des conséquences négatives sur la durée de vie et la fiabilité du composant. La cause de ces effets est le déplacement atomique consécutif à l’impact de l’ion lourd. Il a notamment été montré que le SHI peut même induire des claquages du matériau diélectrique (appelé oxyde de grille) servant de couche d’isolation dans le composant (ces phénomènes sont appelés « Single-Event Gate Rupture »-SEGR ou « Single-Event Dielectric Rupture »-SEDR). Le dépôt d’énergie linéique de la particule (« Linear Energy Transfer »-LET) a été identifié comme étant le paramètre principal contrôlant le SEDR/SEGR. Les effets dus au SHI varient selon le procédé de fabrication et la nature de l’oxyde. En effet, différents autres paramètres vont rentrer en ligne de compte : épaisseur de l’oxyde, dopage (Chlore, Germanium…), taux d’humidité (oxyde sec ou humide), recuits, procédé de fabrication... Malgré le fait que ces phénomènes aient été étudiés expérimentalement de manière intensive ces dernières années, une compréhension claire de leur déroulement n’a jamais été mise en place. La simulation à l’échelle atomique peut fournir une réponse détaillée sur les processus de déplacement atomique. Elle peut permettre d’étudier la dynamique du déplacement atomique et de mesurer le rayon d’influence (la trace) de l’ion incident. De plus, l’utilisation de méthodes quantiques de type ab initio nous permet d’accéder à la variation de la structure électronique au cours des déplacements. Cette structure est très importante car la création de certains défauts va changer fondamentalement les propriétés isolantes de l’oxyde en introduisant des niveaux plus ou moins profonds dans la bande interdite. Ce sont ces niveaux, selon leur répartition et leur nature, qui peuvent créer des canaux de courant de fuite et conduire au claquage.

Objectif de la thèse : Cette thèse a pour objectif de caractériser à l’échelle atomique les phénomènes physico-chimique à la base du SEDR/SEGR afin d’améliorer le durcissement de composants soumis à des irradiations et ceci aussi bien dans les matériaux actuellement utilisés comme oxyde de grille en microélectronique (SiO2, HfO2) que dans les matériaux des prochaines générations (Al2O3, La2O3). Les travaux seront effectués en lien direct avec d’autres échelles de simulation (simulation Monte Carlo ou modèle continue) et avec des expériences.

Déroulement de la thèse : Les travaux de thèse se déclinent comme suit :

- Une première étape consiste à construire des cellules de simulation de grandes tailles. Elles serviront à effectuer des calculs de dynamique moléculaire classique afin de mesurer le rayon des traces et leurs effets sur la structure du matériau. Les matériaux testés seront les suivants : SiO2, HfO2, Al2O3, La2O3. Un soin tout particulier sera dédié à la génération de la cellule de SiO2, puisque celle-ci est amorphe contrairement aux autres qui sont cristallines.

- La deuxième étape se situera au niveau quantique : des simulations de dynamique moléculaire ab initio dans le cadre de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT) seront menées afin de simuler là aussi les effets de déplacement atomique. En fonction de l’énergie de l’ion incident, un recensement des défauts générés au cours de la simulation sera effectué. De plus, l’effet des déplacements atomiques, c’est-à-dire de la création de défauts, sur les propriétés électroniques du matériau (variation du gap, introduction de niveau dans le gap, etc.) sera particulièrement observé. L’influence du dopage ou de la présence d’humidité par ajout d’atomes dans la cellule sera aussi regardée. Les structures de défauts seront ensuite étudiées de façon indépendante afin d’obtenir leurs propriétés électroniques et optiques précises en utilisant des méthodes ab initio allant au-delà de la « DFT » c’est-à-dire au-delà des propriétés d’état fondamental. Les méthodes utilisées seront par exemple les fonctionnelles hybrides, les méthodes GW et les méthodes de résolution de l’équation de Bethe-Salpeter.

- Une dernière étape sera consacrée à des calculs de transport dans les structures atomiques simulées dans la partie précédente, mise en contact avec des électrodes métalliques. Ces calculs permettront d’obtenir des courbes courant/tension afin d’évaluer le courant de fuite les traversant et de le comparer à des mesures expérimentales. La validation des simulations sera faite, pour chaque étape, par comparaison à d’autres modèles de simulation utilisés dans le laboratoire pour le calcul du LET (SRIM ou GEANT4 par exemple) ainsi qu'aux expériences menées dans le laboratoire ou par la communauté des effets des radiations dans les composants. Cela permettra de calibrer des modèles de traces d’ions dans les codes ingénieurs utilisés pour le durcissement des composants microélectroniques.

Directeur de thèse : N.C. Contact : Nicolas RICHARD – [email protected]

CEA/DAM Ile-de-France – 01 69 26 40 00 Référence INSTN : SL-DAM-13

Electronique

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34/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Electronique

Sujet :

Etudes de la sensibilité SEE des technologies nanométriques planaire-2D et FinFET

Contexte :  Les systèmes électroniques destinés aux applications spatiales ou avioniques nécessitent des études spécifiques afin de les durcir aux particules ionisantes telles que les ions lourds, protons et neutrons rencontrés dans l’environnement radiatif considéré. Par ailleurs, l'intégration des technologies microélectroniques conduit à une réduction d'échelle qui modifie considérablement les processus de transport/collection dans les composants électroniques et leurs conséquences. A l'échelle nanométrique la répartition des paires électron/trou générées par les ions primaires ou secondaires peut conduire à une collection multiple des charges sur l'ensemble des électrodes de la cellule, et très probablement sur plusieurs cellules. L’extension radiale des dépôts d’énergie induits par les ions devient même supérieure à la taille des transistors ou des cellules élémentaires actuels.

Par ailleurs, le processus d’intégration constante des technologies MOSFET selon la loi de Moore atteint aujourd’hui ses limites et de nouvelles architectures doivent donc être proposées ; les architectures à grille multiple ou FinFET apparaissent aujourd’hui comme des candidats très sérieux, avec les premiers composants commerciaux de ce type annoncés par Intel en 2011. Dans ce type de transistor, les dimensions de la zone active sont réduites à moins de quelques dizaines de nanomètres dans toutes les directions.

Le DESP de l'ONERA et la DIF du CEA/DAM travaillent conjointement depuis 2010 sur la modélisation des effets singuliers (SEE) sur des structures silicium sur isolant (SOI) d'échelle nanométrique. Ces premiers travaux ont permis de coupler la description morphologique 3D des dépôts de porteurs induits par les ions (CEA/DAM/DIF) et la plateforme MUSCA SEP3 (ONERA). Aujourd’hui, l'échelle nanométrique des structures planaires 2D et/ou FinFET exige que nous reconsidérions les modèles de transport, de collection et d'occurrence existants et que nous étudions en détails ces nouveaux effets tant au niveau composant qu'au niveau circuit. Dorénavant, ces mécanismes doivent être considérés afin d’améliorer la prédiction de sensibilité aux SEE des technologies nanoélectroniques aux particules ionisantes qui deviennent une source majeure de perte de fiabilité des systèmes électroniques embarqués.

Objectif/déroulement de la thèse : Le travail de thèse s'orientera selon quatre étapes :

1. Mise en place d'un modèle 3D de trace d'ion dans la plateforme MUSCA SEP3. Ce travail sera réalisé sur la base des travaux conjoints réalisés par le DESP et le DIF.

2. Dans un second temps, il s'agira de modéliser et d'identifier les mécanismes de transport et de collection dans les structures nanométriques planar-2D et FinFET puis d'évaluer l'impact des détails technologiques et design. Ce travail sera donc essentiellement basé sur l'outil de simulation composant TCAD (Synopsys) permettant de reproduire mathématiquement la fonctionnalité d'un composant (équations de Poisson et de continuités), mais devra également être couplé à une approche circuit (SPICE). Cette connaissance permettra de proposer des modèles physiques et d'occurrences qui seront intégrés dans la plateforme MUSCA SEP3.

3. Dans un troisième temps, il s'agira de valider les modèles proposés. Pour y parvenir des données expérimentales issues de tests sous accélérateurs (ions lourds, et/ou neutron/proton) de véhicules de tests seront comparées aux estimations issues de la modélisation. Dans ce cadre, nous bénéficierons des détails technologiques et design des véhicules de tests.

4. Enfin, basé sur des calculs issus de MUSCA SEP3, il s'agira d'anticiper l'évolution des risques opérationnels SEE sur les futures générations de transistors et cellules planaire-2D et FinFET. Cette anticipation concernera les effets SEU/MCU et SET.

Directeur de thèse et école doctorale : Guillaume Hubert (ONERA, HDR)

Co-encadrants CEA : Marc Gaillardin et Mélanie Raine (CEA, DAM, DIF)

Contacts CEA : Marc Gaillardin - [email protected] Mélanie Raine - mé[email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01 69 26 40 00 Référence INSTN : SL-DAM-13 Cofinancement : ONERA

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 35/130

Electronique

Sujet :

Etude et réalisation d’une source de puissance pulsée à transistor GaN

Contexte : Les agressions électromagnétiques d’origine intentionnelle sont étudiées au CEA/Gramat sous divers aspects :

- vulnérabilité des cibles : matériel électronique, de communication, de transport d’énergie... - modélisation des phénomènes par simulation numérique et expérimentale. - performance des antennes. - performance des sources.

L’objet de cette thèse concerne les sources de puissance. Jusqu’à présent, les sources utilisées sont des magnétrons, des sources suivies d’amplificateurs de puissance à état solide ou à tubes, des lignes Blumlein... Les caractéristiques de ces sources sont très diverses en termes de largeur de bande de fréquence, de rapport cyclique, de compacité et surtout de puissance. Il s’agit ici d’étudier les opportunités apportées par la technologie GaN aux sources de haute puissance pulsée.

Objectif de la thèse : L’objectif de la thèse est d’étudier et de réaliser une source de puissance pulsée en bande L en tirant profit des performances des transistors issus de la technologie GaN. Le principal défi est la visée d’une montée en puissance de la source à plusieurs centaines de Watt, au détriment éventuel du bruit ou du rendement. Un second objectif est la vobulation de la fréquence RF de cette source.

Déroulement de la thèse : La thèse se déroulera en 5 étapes :

1. Réalisation de la source o Etude bibliographique, état de l’art et choix du transistor GaN commercial, o Mesures des caractéristiques puis modélisation du transistor choisi, o Conception d’une source à fréquence fixe, o Choix et modélisation d’un élément permettant de faire varier la fréquence (comme une diode

varactor pour des sources de faibles puissances) dans une bande de 10% de largeur, o Réalisation de la source à fréquence variable.

2. Choix du type de modulation (il pourrait s’agir d’une modulation externe ou bien de commutation de l’alimentation).

3. Etude de différentes solutions afin d’élever la puissance par la mise en œuvre de plusieurs oscillateurs avec un combineur de puissance.

4. Une extension éventuelle de ces travaux est la réalisation d’un système de beamforming avec une antenne multi-sources à fort gain.

5. Réalisation du prototype de la source, vérification des performances sur différentes cibles, avec les moyens d’essais et les antennes disponibles au CEA/Gramat.

Directeur de thèse et école doctorale : Université de Limoges : laboratoire XLIM / C²S² : - 05.55.86.73.23 Michel Prigent ([email protected]) – Jean-Christophe Nallatamby ([email protected])

Contact : Jean-Christophe Joly [email protected] CEA/Gramat - 05 65 10 54 32

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : DGA

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36/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Electronique

Sujet :

Spectroscopie du courant d’obscurité induit par les effets de déplacement atomique des radiations spatiales dans les capteurs d’images CMOS à photodiode “pinned“ Contexte : Grâce à leur développement extrêmement rapide (pixels de plus en plus « intelligents », illumination face-arrière, photodiode pinned, profils de dopage optimisés…), les imageurs CMOS deviennent des candidats incontournables pour un nombre croissant d’applications en environnement radiatif : observation spatiale, détection d’image et diagnostics pour les applications de type fusion par confinement inertiel (NIF, LMJ) et les besoins liés à l’amélioration de la sécurité pour le nucléaire civil. Ces capteurs d’images, prépondérants sur le marché commercial des caméras embarquées, sont la voie pérenne pour les futurs besoins d’imagerie en ambiance radiative. Ceci est particulièrement vrai pour les capteurs d’images CMOS à base de photodiode pinned fonctionnant avec un transfert de charge intra-pixel. Cette technologie offre des niveaux de bruit et de courant d’obscurité extrêmement bas en comparaison des imageurs CMOS classiques (avec photodiode conventionnelle sans transfert de charge), conduisant à une nette augmentation de la sensibilité. Des imageurs CMOS à photodiode pinned (CIS PPD) sont actuellement en cours de développement et de caractérisation pour les futurs projets du CNES. Cependant, leur comportement face à l’environnement spatial est peu connu et, de part la structure complexe des PPD utilisant un transfert de charge, les conclusions précédemment obtenues sur les CIS classiques ne peuvent être directement appliquées sur les CIS PPD. Dans ce sujet nous souhaiterions investiguer le comportement des CIS PPD face à différents environnements radiatifs et plus particulièrement face aux effets des déplacements atomiques qui deviennent prépondérant dans ce type de technologie. Ces effets créent des défauts induisant une hausse du courant d’obscurité ainsi que des fluctuations du bruit dans le temps engendrant des pixels “chauds“ (hot spot) sur l’image et des erreurs lors de la calibration des détecteurs. La réalisation d’un tel travail de thèse se fera en collaboration étroite entre le laboratoire CIMI de l’ISAE, le CEA/DAM, et le CNES. Le consortium CEA/ISAE est déjà en place et il permet de réunir les compétences suivantes nécessaires à l’étude : - CEA : expert dans le domaine des effets des radiations sur les matériaux et les composants. Utilisation de code

de calcul sur la dynamique moléculaire (formation des défauts dans les matériaux) ; utilisation du code GEANT4 pour la simulation des effets des radiations et simulation des effets sur les dispositifs avec des logiciels TCAD développé par le CEA. De plus le CEA dispose d’un grand éventail de moyens d’irradiations (dont des flux de neutrons et de protons) nécessaires à la réalisation de l’étude.

- ISAE : expert dans la conception d’imageurs CMOS (Photodiodes conventionnelles et pinned) depuis plus d’une

dizaine d’années. Connaissance fine des technologies CMOS disponibles sur le marché (travaille avec une dizaine de fondeurs) et de la physique des dispositifs. Expertise dans le domaine de la caractérisation et de la simulation des imageurs CMOS et des dispositifs associés. Expertise des effets des radiations (ionisantes et déplacements atomiques) sur les imageurs CMOS (Photodiodes conventionnelles et pinned).

Objectif de la thèse :

Ce sujet possède un triple enjeu :

Le premier est de connaître la tolérance des CIS PPD à différents environnements radiatifs et d’identifier les modifications à apporter à la conception d’un capteur pour optimiser leur fonctionnement à chaque environnement radiatif spécifique.

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 37/130

Le second est de connaître en détail les principes de la physique du solide mis en jeu dans le composant associé à son architecture et son fonctionnement complexe (transfert de charge intra-pixel). Ces informations seront d’une grande utilité pour les concepteurs de diagnostics qui développent des capteurs d’images optimisés pour les futurs projets.

Enfin, le dernier enjeu est d’analyser en détail les effets des déplacements atomiques dans les imageurs. Ces capteurs possédant de très faibles niveaux de bruit et de courant d’obscurité, ils nous permettent d’accéder à la signature électronique des effets de base des déplacements atomiques (un seul défaut conduit à un signal observable dans un pixel) ce qui nous permet d’utiliser pour la première fois dans les imageurs CMOS la spectroscopie du courant d’obscurité. L’utilisation de cette technique nous permettra d’obtenir des informations sur la création des défauts ainsi que sur leur distribution grâce au grand nombre de pixels utilisés dans la matrice de l’imageur. Ces informations apporteront des réponses importantes sur la physique des déplacements atomiques et permettront une modélisation fine de l’effet.

Déroulement de la thèse :

De façon détaillée, le doctorant devra :

- Réaliser une revue de l’état de l’art : o des effets des déplacements atomiques sur les imageurs CMOS et dispositifs associés, o des techniques de spectroscopie du courant d’obscurité dans les imageurs CCD et CMOS.

- Concevoir des imageurs CMOS à PPD dédiés à l’étude des déplacements atomiques (Réflexion sur la géométrie des zones photosensibles et de l’utilisation de la spectrométrie du courant d’obscurité).

- Irradier et caractériser les critères de performances des CIS PPD. - Développer des modèles (et/ou réaliser des simulations technologiques semi-conducteur type TCAD) permettant

de comprendre les phénomènes, de prédire les comportements et d’améliorer les performances de ces détecteurs pour des applications spécifiques.

Directeur de thèse et école doctorale : Pierre Magnan - [email protected] Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace, ISAE

Co-directeur de thèse : Vincent Goiffon - [email protected] (Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace, ISAE),

Contact CEA : Philippe Paillet - [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01 69 26 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13

Cofinancement : Centre National d’Études Spatiales (CNES)

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38/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 39/130

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Environnement

Sujet :

Détermination de la solubilité et de la diffusion de l’iode et du xénon dans les roches fondues Contexte :

Il s'agit ici de mener une série d'expériences pour mesurer la solubilité et la diffusion de l'iode et du xénon dans des roches fondues représentatives des terrains géologiques d'intérêt, afin de déterminer les lois de dégazage et de fractionnement chimique de l'iode et du xénon depuis une cavité. Le terme source pourra ainsi être mieux pris en compte dans les analyses et simulations.

Objectif de la thèse :

Différentes familles d’éléments en traces renseignent sur de nombreux processus géologiques. Parmi eux, les halogènes et les gaz rares sont utilisés pour étudier les phénomènes mettant en jeu des éléments volatils (par exemple dégazage de magmas ; subduction et déshydratation du slab dans le manteau) (Carroll and Holloway, 1994 ; Porcelli et al., 2002). L’iode a un comportement physicochimique particulier qui en fait un élément à la fois peu connu dans la plupart des domaines des Sciences de la Terre, et incontournable dans un petit nombre d’entre elles. Certains isotopes de l’iode sont les pères d’autant d’isotopes du xénon par décroissance radioactive. En conjonction avec le xénon, l’iode est ainsi analysé dans les météorites et les roches mantelliques pour étudier l’histoire précoce de la Terre et des autres planètes, et en particulier leur dégazage (e.g., Musselwhite et Drake, 2000 ; Moreira et Raquin, 2007 ). L’iode est aussi un marqueur de la dynamique terrestre, en particulier du manteau (Deruelle et al., 1992), des volcans (Bureau et al., 2000), mais également des océans. De plus, le comportement de l’iode dans les verres est un paramètre-clef dans l’évolution des colis de déchets radioactifs au cours de leur stockage (Vance et al., 2005) et certaines matrices vitreuses spécifiques sont actuellement envisagées pour stocker l’iode. Enfin, la vérification du Traité d’Interdiction Complète des Essais nucléaires repose sur la détection d’isotopes du xénon (Saey et De Geer, 2005), dont les quantités qui peuvent s’échapper après un essai souterrain clandestin sont contrôlées par les solubilités et les diffusivités de l’iode et du xénon dans les laves. Ainsi, l’ensemble de ces domaines nécessite que la solubilité et la diffusion de l’iode et du xénon dans les solides fondus soient mieux comprises (Bureau et al., 2000 ; Shibata et al. 1998). C’est l’objet du projet de recherche proposé, qui se place à l’interface entre la pétrologie expérimentale et la géochimie. Après un état de l’art établi d’après la bibliographie, en ce qui concerne le comportement de l’iode et du xénon dans les magmas, les expérimentations et les moyens analytiques, une série d’expériences d’incorporation d’iode et de xénon dans des verres sera menée à l’aide d’une autoclave à température et pression contrôlées (Jendrzejewski et al., 1997). Le choix des solides étudiés sera justifié. Les solubilités et diffusivités de l’iode et du xénon seront mesurées, et les mécanismes physiques et chimiques qui les contrôlent seront établis. Les méthodes analytiques couvriront les domaines de la pétrologie expérimentale et de la géochimie : microscopies optique et électronique, microsonde Raman (Lenoir et al., 2010), microsonde électronique, microsonde ionique (Goswami et al., 1998), spectrométrie de masse pour l’analyse du xénon, ICP-MS après pyrohydrolyse pour l’analyse de l’iode (Michel et Villemant, 2003), voire l’activation neutronique et les rayonnements synchrotron.

Ce travail sera dirigé par Eric Pili (CEA, IPG) et co-encadré par Daniel Neuville (IPG-CNRS) Manuel Moreira (Université Paris Diderot). Il se déroulera à l’IPG Paris au sein de l’équipe Géochimie et Cosmochimie. Le projet de recherche est financé par le CEA, ainsi que la bourse de thèse (CDD 3 ans, salarié CEA). Le ou la candidat(e) devra satisfaire aux critères d’attribution des bourses du CEA.

Contact : Eric PILI – [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01 69 26 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 41/130

Environnement

Sujet :

Construction des outils théoriques pour la géolocalisation des oxydes d’uranium et l’identification des sources par les isotopes de l’oxygène Contexte : Détermination du fractionnement isotopique de l'oxygène entre les oxydes d'uranium et l'eau. La fabrication des yellow cake et combustibles nécessite de grandes quantités d'eau (eau souterraine ou de rivière) puisée localement. Les rapports isotopiques de l'oxygène (18O/16O) dans l'eau ont une distribution géographique connue à la surface de la planète. La mesure des rapports isotopiques de l'oxygène (18O/16O) effectuée sur les oxydes d'uranium peuvent donc indiquer le lieu de leur genèse à condition de connaître la loi de fractionnement isotopique entre ces oxydes et l'eau. Seules des déterminations théoriques existent à ce jour et leurs désaccords ne permet pas de les employer. Nous nous proposons de déterminer expérimentalement les lois de fractionnement de l'oxygène-18 entre les principaux oxydes d'uranium et l'eau aux températures d'intérêt.

Objectif de la thèse : L’uranium est un minerai essentiel à la fabrication de combustibles nucléaires à usages civils ou militaires. Extrait de minéraux uranifères à partir de procédés physico-chimiques variés, l’uranium en solution est précipité sous forme d’oxydes pour former un concentré minier. Ce composé stratégique peut faire l’objet de trafics et d’usages illicites qui nécessitent la mise au point de méthodes d’identification de source et de géolocalisation dans le cadre d’une discipline émergente appelée forensie nucléaire. Ce projet de recherche propose de développer et de valider des outils pour la géolocalisation des oxydes d’uranium et pour l’identification des sources par les isotopes de l’oxygène. Les étapes-clefs seront l’établissement des lois expérimentales de fractionnement des isotopes stables de l’oxygène (18O, 17O, 16O) entre l’eau et les oxydes d’uranium, ainsi que l’établissement des lois expérimentales de diffusion de ces isotopes stables dans les oxydes d’uranium. L’UO2 et d’autres oxydes d’uranium seront étudiés.

Les rapports isotopiques de l’oxygène 18O/16O dans les oxydes d’uranium sont mesurés par une méthode classique de fluorination (Clayton et Mayeda, 1963 ; Taylor et al., 2004). Ils varient dans une large gamme (Fayek et al , 2011a) qui résultent des processus de minéralisation et des types d’eau (métamorphique, magmatique, météorique) impliqués. Comprendre les signatures isotopiques de l’oxygène des minerais, en combinaison avec d’autres traceurs géochimiques, c’est mieux comprendre leur source. C’est aussi mieux comprendre leur genèse. Le potentiel des isotopes de l’oxygène, qui peuvent fournir des réponses à ces deux premières problématiques d’importance, est encore renforcé par un fort potentiel de géolocalisation (Fayek et al, 2011b). En effet, les concentrés miniers nécessitent l’emploi de grandes quantités d’eau météorique locale (eau souterraine, eau de rivière) au cours des processus d’extraction, de purification et de concentration. Selon les méthodes et les étapes, les températures employées varient entre la température ambiante et 700°C (Edwards et Oliver, 2000). La répartition géographique des rapports isotopiques de l’eau météorique sur la planète est bien connue. Elle est fonction, au premier ordre, de la latitude, de l’altitude et de la distance aux côtes (Rozanski et al., 1993). La connaissance du fractionnement des isotopes de l’oxygène entre l’eau et les oxydes d’uranium permettrait ainsi de déterminer la zone géographique où le concentré minier a été produit. A ce jour, ces fractionnements ont surtout fait l’objet de déterminations théoriques (e.g. Zheng, 1991). Les données expérimentales sont rares et les nombreux désaccords entre toutes ces déterminations (Fayek et al., 2011a) empêchent d’utiliser ces lois. De plus, l’équilibration incomplète d’un oxyde d’uranium en présence de vapeur d’eau et/ou d’oxygène dans l’air produit un profil de diffusion de l’18O dans le solide dont l’étude quantitative pourrait renseigner sur la durée d’exposition en plus de sa localisation géographique.

La détermination expérimentale du fractionnement des isotopes de l’oxygène entre UO2 (et d’autres oxydes) et H2O sera menée à différentes températures selon les méthodes classiques d’équilibration (Sheppard et de Groot, 2004). Le problème de l’équilibre isotopique sera traité, notamment en réalisant des synthèses d’oxydes d’uranium sous différentes conditions. La diffusion des isotopes de l’oxygène dans les oxydes d’uranium sera également étudiée expérimentalement. Cette problématique d’apparence classique est loin d’être résolue (Labotka et al., 2011). Des profils de diffusion seront mesurés à la microsonde ionique ou par ablation laser après équilibration dans différentes conditions. Ces mesures nourriront un modèle quantitatif de diffusion.

Déroulement de la thèse : Ce travail sera dirigé et encadré conjointement par Eric Pili (CEA, IPGP) et Pierre Agrinier (IPGP). Il se déroulera à l’IPGP au sein de l’équipe de Géochimie des Isotopes Stables. Le projet de recherche est financé par le CEA, ainsi que la bourse de thèse. Le contrat de thèse CEA est un contrat de travail de 3 ans de type CDD pour lequel le CEA est l’employeur. Le ou la candidat(e) devra satisfaire aux critères d’attribution des bourses du CEA.

Directeur de thèse et école doctorale : Pierre AGRINIER - Institut de Physique du Globe de Paris Contact : Eric PILI – [email protected] - CEA/DAM Ile-de-France – 01 69 26 40 00 Référence INSTN : SL-DAM-13-

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42/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

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Métrologie

Sujet :

Développement d’un étalon de pression acoustique et d’une méthode d’étalonnage de référence associée pour l’étalonnage à 1 Hz des capteurs infrasonores de type microbaromètre

Contexte :

Le réseau de surveillance du Traité d’Interdiction Complet des Essais utilise principalement pour sa composante de détection aérienne des capteurs infrasonores microbaromètre de type MB2000 développés par le CEA. Ceux-ci sont reconnus par la communauté internationale comme une instrumentation de référence pour la mesure acoustique infrasonore.

Les moyens de mesure mis en œuvre quotidiennement au sein du laboratoire de métrologie infrason du CEA dans le processus métrologique d’étalonnage et de vérification des microbaromètres, ont été développés en 2003 par le CEA, pour répondre aux exigences métrologiques définies à l’époque.

L’amélioration attendue dans la maîtrise des mesures infrasonores liée à l’amélioration des techniques de traitement des signaux par les analystes va se traduire par des exigences métrologiques plus sévères sur les capteurs, présents et futurs.

Concrètement, les tolérances maximales tolérées vont diminuer, et par voie de conséquence l’exigence qui porte sur les incertitudes de mesure en générale et les incertitudes d’étalonnage de nos étalons en particulier, vont devoir également diminuer.

En terme d’objectif, cela implique que les étalons de type microphone et le calibreur acoustique infrasonore, mis en œuvre actuellement au sein du laboratoire de métrologie infrason doivent évoluer en technologie et en traçabilité aux étalons nationaux dans la bande de fréquence d’intérêt [0,01s - 20 Hz].

Actuellement, aucun laboratoire de métrologie, accrédité, national ou pas, vers lequel se tourne le laboratoire de métrologie infrason du DASE pour faire étalonner ou évoluer ses étalons au regard de cet objectif n’est en mesure de pratiquer d’étalonnage dans des fréquences inférieures à 20 Hz.

Objectifs :

Cette thèse a pour objectif de nous permettre d’améliorer notre processus d’étalonnage et de vérification de nos capteurs infrasonores actuels et futurs afin de garder notre avance et notre expertise dans le domaine de la métrologie infrasonore.

Pour cela, il est indispensable de disposer de nouveaux étalons de référence traçables au Système International d’Unités à 1 Hz, qui est pleinement dans notre bande de fréquence d’intérêt [0,01 Hz, 20 Hz].

En parallèle, il est indispensable de développer, et de valider de nouvelles méthodes d’étalonnage, des outils de génération de signaux infrasons adaptés à ces nouveaux étalons et à nos capteurs microbaromètres.

Nous collaborerons avec le laboratoire de métrologie acoustique du Laboratoire National de Métrologie et d’Essais (LNE) en charge au niveau national de mettre en œuvre les étalons nationaux et les moyens d’étalonnage associés, ainsi qu’avec le laboratoire d’acoustique de l’université du Maine, pour développer les moyens et les méthodes d’étalonnage de référence adaptés à nos capteurs.

Déroulement :

Le déroulement de la thèse est le suivant :

1. Développement d’une méthode et des moyens d’étalonnage des microphones dans les infrasons :

1.1 Analyse et adaptation aux infrasons des méthodes suivantes : - méthode de la réciprocité, - méthode de la grille d’entraînement, - méthode du pistonphone laser.

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 45/130

La validité dans les infrasons des modèles classiques permettant d’accéder à la grandeur de pression acoustique sera vérifiée. Un nouveau modèle sera développé si besoin.

Livrable : M14

1.2 Analyse et adaptation aux infrasons des techniques couramment utilisées pour la métrologie des pressions statiques. Recouvrement avec les méthodes acoustiques citées ci-dessus.

Livrable : M20

1.3 Sélection de la méthode destinée aux prestations d’étalonnage et développement du banc d’étalonnage. Estimation du bilan des incertitudes de mesure.

Livrable : M24

2. Caractérisation et amélioration d’un calibreur acoustique infrasonore :

2.1 Modélisation numérique du système. Validation des choix techniques.

Livrable M28

2.2 Caractérisation du transducteur en fonction des paramètres climatiques par expérimentation (température, humidité et pression statique).

Livrable M32

3. Ecriture d’un rapport complet et publication dans une revue internationale à comité de lecture.

Livrable M36

Directeur de thèse et Ecole doctorale : Stéphane DURAND de l’Université du Maine

Contact : Franck LARSONNIER - CEA/DAM Ile-de-France – 01.69.26.40.00 Dominique RODRIGUES Laboratoire National de Métrologie et d’Essais

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : LNE

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46/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Métrologie

Sujet :

Développement d’une source X impulsionnelle multi-keV par interaction Compton entre des électrons issus d’un accélérateur radio-fréquence 40 MeV et des impulsions laser intenses Exposé du sujet :

L’installation ELSA exploite quotidiennement des rayonnements X, utilisés au profit de différentes équipes du CEA/DAM pour des besoins extrêmement variés. Outre les rayonnements produits par rayonnement de freinage des paquets d’électrons, préalablement accélérés jusqu’à 19 MeV, une source X impulsionnelle multi-keV est en cours de développement. Le principe physique utilisé est l’interaction Compton entre des paquets d’électrons pico-seconde et des paquets de photons issus d’une chaîne laser fortement amplifiée. L’intérêt de cette source réside en particulier dans la possibilité de fournir des impulsions brèves en régime mono-coup, ce qui est indispensable pour étalonner les détecteurs rapides tels que caméras à balayage de fente et caméras à imagerie intégrale, et aussi dans la souplesse d’accès pour les expérimentateurs de la DAM. Commencée en janvier 2008, une thèse (financée par la société THALES sous la forme d’un contrat CIFRE) a permis de prouver la faisabilité expérimentale de cette source, en effectuant les premières « photographies » de faisceau X Compton de ce type dans le monde et en montrant une bonne adéquation entre l’étude théorique et la réalisation expérimentale. Le sujet de thèse proposé est l’étape suivante de ce développement : après cette étude préliminaire de faisabilité, il s’agit de mettre au point une source qui fournisse suffisamment de flux pour ses différentes applications, qu’elles soient scientifiques, techniques ou médicales. Pour atteindre cet objectif, plusieurs aspects devront être abordés : - L’accroissement de l’énergie de l’accélérateur jusqu’aux environs de 40 MeV par l’ajout d’une nouvelle cavité

accélératrice radiofréquence. - L’optimisation de l’étage de compression temporelle des impulsions d’électrons par ajout d’une cavité

décélératrice de linéarisation du champ accélérateur global. - L’optimisation des paramètres de l’interaction qui dépendent notamment de la géométrie et de la qualité des

faisceaux. - L’optimisation du système de récupération des photons X : jusqu’à présent, les détecteurs ont été placés

directement face à la sortie du faisceau. L’utilisation d’optiques X de reprise pourrait être bénéfique et pourrait faire l’objet d’une collaboration avec une équipe du CEA étudiant ce type de miroirs.

- La mise en place d’un système optique de « recyclage de photons ». Du point de vue du planning, cette thèse s’insère dans notre projet d’évolution d’ELSA à 40 MeV, lancé en 2011. L’approvisionnement des éléments nécessaires à cette évolution est actuellement en phase de consultation. Leur arrivée est prévue en 2013. La phase de montage se déroulera alors fin 2013 et début 2014. La production des premiers photons X de la nouvelle source est attendue pour 2014. L’arrivée d’un thésard courant 2013 serait donc idéale à la fois pour le laboratoire qui profitera d’une aide précieuse, et pour le thésard qui s’insèrera naturellement dans un développement ambitieux et formateur. Directeur de thèse et école doctorale : Jean-Michel Ortega - [email protected] CNRS Contact : Vincent Le Flanchec - [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01.69.26.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 47/130

Métrologie  

Sujet :

Mise au point d’un dispositif de mesure du spectre en énergie d’une source de radiographie éclair dans la gamme [0-20] MeV

Contexte : Une source de radiographie éclair est toujours caractérisée par un certain nombre d’observables comme la dose de rayonnement délivrée, la tache focale, la durée d’éclairement, les distributions angulaires et en énergie des photons émis. De toutes, la mesure du spectre en énergie est de loin la plus difficile à réaliser car il n’existe pas de méthode directe (à l’aide d’éléments dispersifs par exemple) de discrimination des photons dans la gamme d’énergie considérée. Les techniques alternatives à base de pénétromètres sont également peu efficaces dans ce domaine où les coefficients d’atténuation massiques évoluent peu quels que soient les matériaux. Le sujet de thèse s’inscrit dans le cadre des études en cours au Laboratoire visant à mettre au point une mesure indirecte qui repose sur l’utilisation d’un spectromètre à effet Compton. Le travail sera réalisé dans le cadre de collaborations existantes entre les sites du CEA/DAM Ile-de-France de Bruyères-le-Châtel, du CEA/DAM Gramat et du Centre Interdisciplinaire de Recherche avec les Ions Lourds implanté auprès du Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (GANIL) à Caen.

Objectif de la thèse : L’objectif visé est de caractériser les spectres de différentes machines qui produisent du rayonnement X par le freinage (effet Bremstrahlung) de faisceaux d’électrons incidents dont l’énergie peut aller de 5 MeV à 20 MeV. Les principaux efforts à fournir dans le cadre des travaux de recherche à entreprendre doivent être tournés vers la mise au point du dispositif de mesure et vers sa validation opérationnelle. La connaissance expérimentale de la distribution en énergie des photons émis par une source de radiographie éclair permettrait de contraindre plus fortement les codes de simulations utilisés pour la modélisation des chaînes de radiographie. Elle réduirait également les incertitudes sur les mesures dosimétriques. L’objectif est ambitieux ; il consiste, à l’aide d’outils de simulation, à maîtriser l’ensemble d’une chaîne de détection complexe : le photon X dont on cherche à mesurer l’énergie est « converti » en électrons par effet Compton sur une feuille métallique positionnée à l’entrée d’un aimant déviateur. Ce dernier disperse les électrons en fonction de leur énergie et les transmets à un détecteur qui les convertit en lumière visible analysée par une caméra. Le signal de la caméra doit ensuite être déconvolué pour extraire l’information recherchée. Il est important de maîtriser parfaitement chacune des étapes élémentaires qui contribuent in fine à la fonction de transfert globale de la chaîne de mesure.

Déroulement de la thèse : La thèse comportera deux volets :

1) L’un théorique : modélisation de la chaîne globale de détection, simulation de l’interaction rayonnement matière, optique de particules chargées, optique géométrique.

2) L’autre expérimental : expériences de validations partielles sur une machine de rayonnement X continu, puis expériences de validations globales sur les machines de radiographie éclair d’intérêt, afin d’en déterminer le spectre.

Le travail se fera dans un environnement pluridisciplinaire et potentiellement dans un contexte de collaboration internationale.

Le programme d’études pourra être décomposé comme suit : 1- Bibliographie-Etat de l’art, 2- Analyse des travaux en cours au Laboratoire, 3- Définition par la modélisation des briques élémentaires constitutives du spectromètre, 4- Validations expérimentales des différents sous-systèmes, 5- Validation globale du spectromètre, 6- Réalisation des mesures opérationnelles, 7- Rédaction du mémoire et préparation de la soutenance.

Directeur de thèse et école doctorale : Centre d’Etudes Nucléaires de Bordeaux Gradignan

Contact : CEA/DAM/Gramat - M. Caron 05 65 10 54 32

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : DGA

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48/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Métrologie

Sujet :

Propagation des incertitudes de mesure entre les domaines temps et fréquence en métrologie de la forme d’onde Contexte : Dans le cadre de ses travaux d’expertise, le CEA/Gramat réalise en interne ou fait réaliser par des collaborations externes des calculs d’incertitudes en sciences expérimentales. Les mesures étudiées sont le plus souvent appliquées aux domaines temporel et fréquentiel. La compréhension des phénomènes de propagation des incertitudes de mesure entre ses deux domaines reste un défi à relever pour garantir la fiabilité des résultats de mesures obtenus. Le CEA, ainsi que de nombreux laboratoires nationaux de métrologie, s’intéressent à cette problématique car de nombreuses applications en découlent. En métrologie électrique hyperfréquence, domaine d’intérêt majeur actuel, des moyens de mesure tels que les analyseurs de réseau vectoriels et les oscilloscopes numériques temps réel ou à échantillonnage (temps équivalent) sont utilisés comme outils très performants permettant, chacun dans son domaine (fréquence et temps), de caractériser des circuits et systèmes micro-ondes. Afin d’aboutir à un calcul rigoureux de l’incertitude de mesure, il faut tenir compte dans ce cas précis de nombreuses sources d’erreurs de nature fréquentielle ou temporelle ; les moyens de mesure destinés au domaine temporel sont le plus souvent caractérisés dans le domaine fréquentiel (réponse en fréquence complexe). Certaines composantes d’incertitude doivent être nécessairement propagées à partir d’outils mathématiques adaptés.

Objectif de la thèse : L’objectif de la thèse est de mettre au point une méthode fiable de propagation des incertitudes de mesure du domaine temporel vers le domaine fréquentiel et vice versa. L’algorithme proposé, optimisé en temps de calcul, sera développé en s’appuyant sur les différents travaux liés à la problématique de propagation des incertitudes (équations différentielles multi-variables, méthode Monte-Carlo, matrices de covariance, etc.). Cet algorithme sera ensuite utilisé et validé dans le but d’estimer des incertitudes de mesures significatives dans le domaine des hyperfréquences sachant qu’il pourra être également transposé au domaine des basses fréquences.

Déroulement de la thèse : Le travail débutera par une étude bibliographique sur les phénomènes et les techniques de propagation des incertitudes de mesure et leur application entre les domaines temps et fréquence. Une description détaillée de chaque paramètre physique mis en jeu dans l’algorithme de calcul d’incertitudes proposé devra être réalisée. Une première partie du travail de thèse se déroulera ensuite au Laboratoire National de métrologie et d’Essais (LNE Trappes) qui apportera son expertise théorique, numérique et expérimentale sur la propagation des incertitudes de mesure. Le LNE a développé, au sein de son Pôle Métrologie Électrique, un banc de caractérisation de la forme d’onde par échantillonnage électro-optique à partir d’impulsions laser femtosecondes. Ce banc de référence sera mis en œuvre dans le cadre de la thèse pour réaliser des mesures à la fois dans les domaines temporel et fréquentiel pour corriger la réponse du circuit électrique s’insérant entre l’entrée de l’oscilloscope et le cristal électro-optique. Des procédures de déconvolution de signaux et de transformation de Fourier devront être mises en œuvre. Pour estimer l’incertitude de mesure, il faudra notamment tenir compte des erreurs liées aux désadaptations d’impédance, à l’étalonnage de l’analyseur de réseau vectoriel, aux imperfections dues à l’échantillonnage électro-optique etc. L’étudiant prendra en main le banc d’échantillonnage électro-optique et recherchera la solution et l’algorithme approprié permettant d’obtenir avec la meilleure exactitude la réponse impulsionnelle de moyens de mesure tel qu’un oscilloscope ou un générateur d’impulsions. La deuxième partie du travail de thèse consistera à appliquer l’algorithme ainsi développé à des cas pratiques de mesures temporelles et fréquentielles en utilisant des chaînes de mesure du CEA/Gramat. Les travaux de thèse s’inscriront notamment dans une collaboration existante entre le CEA/Gramat et la spin-off KAPTEOS de l'Institut de Microélectronique Électromagnétisme et Photonique et le LAboratoire d'Hyperfréquences et de Caractérisation (IMEP-LAHC). Cette collaboration a permis le développement d’un système électro-optique compact de mesures vectorielles du champ électrique et dédié aux mesures en espace libre (diagramme de rayonnement d’antennes) ainsi qu’aux mesures en champ proche (diagnostic de circuits électriques par exemple). Les nombreux moyens expérimentaux disponibles au CEA/Gramat pourront être avantageusement utilisés.

Directeur de thèse : Lionel Duvillaret (IMEP/LAHC - Université de Savoie - Kapteos SAS)

Ecole doctorale : Electronique, Electrotechnique, Automatique et traitement du signal –ED 220

Contacts : CEA/Gramat : Jérôme Luc - tél : 05 65 10 54 32 ; Djamel Allal (LNE Trappes)

Référence INSTN : SL-DAM-13-1

Cofinancement : DGA

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Sujets de thèse 2012 CEA/DAM 49/130

   

IInnffoorrmmaattiiqquuee sscciieennttiiffiiqquuee,, ssiimmuullaattiioonn nnuumméérriiqquuee,, mmooddéélliissaattiioonn

CESTA

Le RIPAULT VALDUC

ILE DE FRANCE

GRAMAT

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50/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation

Sujet :

Adaptation du code parallèle Coddex aux nouvelles architectures de machines 'ManyCore' ou GPU

Contexte :

Ce stage s'inscrit dans un projet de recherche "multiéchelle" pour lequel l'utilisation de gros calculateurs parallèles est incontournable à la modélisation de microstructures représentatives. Il permet d’acquérir une solide formation sur techniques de codage sur calculateurs massivement parallèles. Les compétences acquises par ailleurs (notamment sur les librairies StarPU) seront également facilement valorisables. Objectif de la thèse :

Les codes de calculs aux éléments finis explicites sont locaux en espace et en temps (un calcul en un nœud nécessite seulement la connaissance des nœuds voisins et des deux pas de temps précédents). Une parallélisation par domaine est donc particulièrement efficace, et permet d'envisager un très bon scaling sur des milliers de processeurs. Cependant, le passage aux architectures « ManyCores » ou GPU impose de réduire drastiquement le volume des accès mémoire et les échanges entre processeurs pour faire face à la baisse de puissance des unités arithmétiques et au coût des communications entre processeurs. L’organisation des tâches de calcul en « threads » indépendantes, regroupant les calculs sur plusieurs dizaines ou centaines de nœuds, permettra, grâce au partage des ressources en mémoires, d’atteindre un bon scaling sur plusieurs dizaines de milliers de cœurs. Déroulement de la thèse :

Le travail de thèse consisterait à : 1 – Reformater la boucle de calcul en plusieurs threads (ou conteneurs) autonomes pouvant contenir quelques centaines d’éléments. Une attention particulière sera portée aux interactions entre conteneurs (règle d'antériorité pour certains calculs, échange de données, synchronisation). 2 – Interfacer ces conteneurs avec une librairie de type StarPU permettant l’exécution des threads sur des architectures variées (ManyCore, GPU). 3 – Implanter un mécanisme de régulation de la charge sur les processeurs (échange des conteneurs entre processeurs, redéfinition des interfaces de conteneurs). Les interactions complexes entre l'algorithme de résolution par éléments finis et le mécanisme de threads impose par ailleurs une très forte orientation objet au niveau le plus fin. Par exemple, la demande de la valeur d'une force thermodynamique entraînera le calcul de tous les éléments nécessaires à son calcul (contraintes, déformations, etc). Cette architecture de calcul par avalanches de « bas en haut » permet une modification simplifiée des algorithmes de résolution, l'ordonnancement des tâches n'étant pas postulée a priori mais émergeant des objets eux-mêmes.

Directeur de thèse et école doctorale : Raymond Naymist - [email protected] INRIA Contact : Laurent Colombet DPTA/SMPC - [email protected]   [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01.69.26.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 51/130

Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation

Sujet :

Construction et utilisation de méta-modèles pour l’estimation de probabilités d’événements rares et de quantiles faibles Contexte : L’estimation de probabilités d’événements rares et de quantiles faibles représente un enjeu majeur dans la problématique de la quantification d’incertitudes et de la maîtrise des risques, notamment dans le cadre d’études de sûreté ou de fiabilité. Ces problèmes se présentent quasiment toujours sous la forme ”estimer la probabilité P(Φ(X) > q) pour un q donné grand” (problème d’estimation de la probabilité d’un événement rare) ou ”estimer le quantile q tel que P(Φ (X) > q) = p pour un niveau de probabilité p petit” (problème d’estimation d’un quantile faible). Ici X est un vecteur aléatoire de loi donnée et Φ est une fonction coûteuse en temps de calculs. On souhaite proposer des solutions à ces problèmes d’estimation en minimisant le nombre d’appels à la fonction Φ.

Objectif de la thèse : Des progrès significatifs ont été obtenus récemment dans deux directions : - d’une part, des techniques d’échantillonnage séquentiel ont permis la mise au point d’algorithmes de type Monte

Carlo accéléré présentant des performances remarquables. On trouve ces algorithmes dans les articles de Pierre Del Moral et collaborateurs, et aussi dans ceux d’une équipe de Rennes autour d’Arnaud Guyader et François Legland qui donnent les meilleurs résultats à ce jour. Dans ces techniques d’échantillonnage l’interaction entre les simulations joue un rôle crucial, comparativement aux méthodes de Monte Carlo usuelles. Elles sont capables de traiter des cas où un échantillon de Monte Carlo serait complètement inutilisable car aucune de ses réalisations ne correspondrait à l’événement rare. Mais ces algorithmes ne cherchent pas à déterminer des surfaces de réponse ou des surfaces de défaillance et n’exploitent pas les résultats intermédiaires pour essayer de reconstruire tout ou partie de la fonction Φ. En pratique, le principal défaut de ces méthodes est qu’on peut appeler et rappeler la fonction en des points inintéressants car on ne cherche pas à exploiter les résultats des appels précédents à la fonction.

- d’autre part, des techniques ont été proposées qui sont basées sur l’utilisation d’un modèle réduit ou sur la construction séquentielle d’un modèle réduit qui approche au mieux la fonction Φ dans la zone de l’espace des paramètres d’entrée la plus importante pour l’estimation de la probabilité de l’événement rare ou du quantile faible. Cette construction peut se faire par krigeage par exemple, comme dans la thèse de Vincent Dubourg. Dans ces techniques, l’échantillonnage est réalisé de manière assez classique (échantillonnage préférentiel, algorithme de Metropolis-Hastings). En pratique le principal défaut de ces méthodes est que le premier plan d’expériences doit être déjà assez bon pour avoir une première idée de la zone de défaillance.

L’objectif de la thèse serait de combiner les deux types de techniques mentionnés ci-dessus pour en associer les forces et en limiter les points faibles.

Déroulement de la thèse : Il s’agira tout d’abord de s’approprier les techniques les plus récentes d’échantillonnage autour des systèmes de particules en interaction, de type subset sampling ou splitting par exemple, et les techniques de construction de méta-modèles, de type krigeage en particulier. Puis, il conviendra de voir comment on pourrait combiner ces techniques pour construire un méta-modèle dédié à l’estimation de probabilités d’événements rares et de quantiles faibles. L’utilisation de ce méta-modèle sera aussi à étudier finement, car on peut l’utiliser directement pour le problème d’estimation mais on peut aussi l’utiliser indirectement pour estimer des densités d’importance afin de mettre au point une technique d’échantillonnage préférentiel adaptative.

Directeur de thèse et école doctorale : Professeur J. Garnier, du Laboratoire Probabilités et Modèles Aléatoires et du Laboratoire J.-L. Lions (Paris VII)

Contact : Gilles Defaux – [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01.69.26.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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52/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation

Sujet :

Multi-représentations de maillages cellulaires et détermination automatique de la meilleure représentation pour un algorithme donné

Contexte : Dans le domaine du calcul scientifique, les méthodes numériques utilisées pour modéliser un phénomène physique reposent principalement sur une discrétisation du domaine d’étude en éléments simples tels que les quadrangles et les triangles en dimension 2 ou les tétraèdres et les hexaèdres en dimension 3. De manière générale, tout type d’éléments peut être manipulé : en dimension 3, des polyèdres sont nécessaires à la manipulation de maillages de Voronoi tandis que la prise en compte de maillages mixtes composés de tétraèdres et d’hexaèdres nécessite des prismes à base triangulaire ou des pyramides à base quadrangulaire pour assurer la conformité du maillage. Outre les éléments manipulés, les différentes méthodes numériques ou algorithmes de maillage vont se distinguer par les relations d’adjacence qu’elles nécessitent. A titre d’exemple, certaines méthodes numériques seront basées sur une boucle itérant sur les nœuds du maillage et nécessitant pour chaque nœud de connaître les cellules de dimension 3 adjacentes. A l’inverse, un algorithme de lissage géométrique en dimension 2, pourra itérer sur les faces du maillage et nécessitera pour chaque face de connaître les nœuds adjacents.

Partant de ce constat, il est possible de définir pour chaque algorithme les dimensions des cellules qu’il doit manipuler (de 0, les nœuds, à 3, les régions) et les relations d’adjacence et d’incidence qui lui sont nécessaires (i j, avec i et j valant de 0 à 3). La donnée de ces informations définit un modèle de représentation de maillage. Par exemple, le modèle de représentation ({2, 1, 0} ; {2 0, 2 1, 1 0, 0 1}) décrit un modèle de maillage où les faces, les arêtes et les nœuds sont présents et les relations d’adjacence des faces vers les nœuds, des faces vers les arêtes, des arêtes vers les nœuds et inversement sont directement accessibles. Afin de gérer toute représentation de maillage, la structure de données générique GMDS (Generic Mesh Data Structure) a été développée au CEA [1]. Implémentée sous forme d’une bibliothèque C++, elle permet à l’aide de la programmation générique (templates) d’instancier un maillage pour un modèle de représentation particulière. Dès lors, le développeur sélectionne le modèle de représentation qu’il considère le plus adapté à son besoin.

En se basant sur cette expérience, il est maintenant nécessaire de fournir :

1. un niveau d’abstraction supplémentaire, noté Abs, où le développeur écrira un algorithme A de manière générique sur une structuration cellulaire abstraite disposant de toutes les cellules et relations d’adjacence possibles ;

2. un mécanisme permettant de déterminer le modèle de représentation de maillage optimisant soit la consommation mémoire, soit les performances en temps d’exécution de l’algorithme A.

3. un mécanisme permettant de traduire un algorithme écrit sur Abs vers un modèle de représentation de maillage spécifique.

Un tel travail nécessite tout d’abord de déterminer les relations d’inclusion entre les différents modèles de représentation de maillage, d’analyser dans chacun des cas les différents coûts mémoire et les complexités relatives aux opérations de consultation et de modifications atomiques de maillage (construction et destruction de cellules, mise à jour des relations d’adjacence). Ce travail s’intègrera au-dessus de la structure de données GMDS.

Objectif de la thèse : Etudier et proposer une solution pour réaliser les points 1, 2 et 3 dans un contexte séquentiel puis parallèle (mémoire distribuée).

Déroulement de la thèse : Partant des nombreux travaux menés sur les structures de données en maillage [2, 3] et en modélisation géométrique à base topologique [4], la première partie du travail consistera à comprendre l’inclusion des différentes représentations de maillages pour des représentations dites cellulaires, voire basées sur des modèles à brins (voir [1] pour la distinction que nous faisons entre ces deux catégories de représentations). L’étude portera sur l’analyse de la complexité théorique des opérations de base que sont l’ajout et la suppression de cellules, la consultation et la mise à jour de relations d’adjacence. Cette étude devra se baser sur un cadre générique permettant la représentation de tout type de maillage cellulaire (tout type de cellules, tout type de modèle, séquentiel ou parallèle). Ce cadre sera dans un premier temps celui utilisé dans GMDS.

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 53/130

Les fruits de cette étude seront une connaissance exacte des faiblesses et avantages d’un modèle de représentation de maillage dans le cadre défini. Cette connaissance servira de base à la détermination du meilleur modèle de représentation de maillage pour dériver un algorithme écrit sur un modèle complet et générique, mais aussi pour fournir un processus permettant de traduire un algorithme écrit sur un modèle de représentation vers une autre représentation.

Pratiquement, le déroulement de la thèse sera le suivant :

1. Première année a. Etude bibliographique des différents modèles cellulaires et à base de brins ; b. Compréhension de l’inclusion entre modèles de représentation cellulaire ; c. Lien entre modèle cellulaire et un ou plusieurs modèles à brins (cartes combinatoires, carte

généralisées, etc.) ; d. Calcul des coûts mémoire et de la complexité des opérations de consultation et de modification de plus

bas niveau sur la structure GMDS ; 2. Deuxième année

a. Définition d’une abstraction Abs au modèle de représentation d’un maillage cellulaire ; A priori ce niveau d’abstraction sera défini au niveau du langage de programmation à l’aide d’interfaces C++, Python ou autre ;

b. Ecriture d’algorithmes de cas test sur cette abstraction que ce soit en 2D, 3D, séquentielle et parallèle ; c. Mise en place d’un mécanisme permettant l’analyse de l’algorithme écrit sur l’abstraction Abs et de

choisir quel modèle de représentation retenir selon le coût en mémoire ou la performance en temps d’exécution.

3. Troisième année a. Génération du code sur le modèle de représentation choisi ; b. Rédaction du mémoire de thèse. 

Directeur de thèse : A définir au laboratoire IRCOM-SIC de l’université de Poitiers

Contact : Bruno Scheurer - [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01.69.26.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-  

Références :

[1] F. Ledoux, J.-C. Weill and Y. Bertrand, Definition of a Generic Mesh Data Structure in the High Performance Computing Context, in Developments and Applications in Engineering Computational Technology, Series 26, Saxe-Coburg Publications, Chapter 3, pages 49-80, 2010.

[2] R. V. Garimella, Mesh data structure selection for mesh generation and FEA applications, International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 55, pages 451-478, 2002.

[3] M.S. Shephard and E.S. Seol, Flexible Mesh Data Structure for Parallel Adaptative Analysis, Advanced in Computational Infrastructure for Parallel and Distributed Adaptive Applications, pages 1-38, 2007.

[4] P. Lienhardt, N-dimensional generalized combinatorial maps and cellular quasi-manifolds, International Journal on Computational Geometry and Applications, 4(3), pages 275-324, 1994.

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54/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation

 

Sujet :

Mécanismes de communications unidirectionnelles (PGAS/one-sided/RDMA) pour applications déséquilibrées de type Monte-Carlo

Contexte :

Avec l’arrivée des architectures many-cœurs, il devient primordial d’utiliser efficacement les modèles de programmation multithread. Dans ce contexte, nous avons développé une application de type Monte-Carlo utilisant le standard OpenMP. Cette application a pour caractéristique d’être particulièrement déséquilibrée. Dans le même temps, les modèles de programmation unidirectionnelle ont commencé à se démocratiser et offrent des possibilités pour de nouveaux algorithmes d’équilibrage dynamique de charge.

Objectif de la thèse :

Evaluation du potentiel des communications unidirectionnelles et conception d’algorithmes d’équilibrage de charge.

Déroulement de la thèse :

La première partie de la thèse sera consacrée à l’évaluation des mécanismes de communications unidirectionnelles dans un contexte massivement multithread sur cluster de grande taille. La seconde partie sera consacrée à la conception d’algorithmes d’équilibrage de charge utilisant les one-sided dans le cadre des applications déséquilibrées de type transport Monte-Carlo.

Directeur de thèse et école doctorale : Directeur à confirmer, ED Université Bordeaux 1

Contact : Marc PERACHE CEA/DAM Ile-de-France – 01.69.26.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : PerfCloud

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 55/130

Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation

 

Sujet :

Couplage fluide-structure avec des schémas Volumes finis conservatifs Eurlériens et Lagrangiens

Contexte :

Les schémas hydrodynamiques Lagrangiens sur maillages non structurés les plus récents sont conservatifs en masse, impulsion et énergie totale, ce qui permet d’avoir des solutions convergées, y compris pour des discontinuités (solutions de type choc). Ces schémas s’étendent au domaine de la mécanique des milieux continus. Par ailleurs, de nouveaux modèles élasto-plastiques sont proposés dans le cadre de la plasticité finie, valides dans le cas de grandes déformations, en 1d ou en formulation eulérienne.

Déroulement de la thèse :

La première phase de la thèse consiste à proposer un modèle de plasticité finie en formulation lagrangienne, en faire l'analyse mathématique et numérique, et le comparer avec des modèles plus classiques basés sur l'hypo-élasticité.

Dans la deuxième phase, on commencera par un état de l’art du domaine de l’interaction fluide-structure couplé avec des essais numériques. Il visera à mettre en exergue les difficultés et les besoins pour nos applications. Enfin, des solutions adaptées seront proposées et les méthodes nécessaires décrites :

- hydrodynamique eulérienne (lagrange-projeté) et lagrangienne, méthodes ALE (arbitrary lagrangian euler),

- élasto-plasticité lagrangienne (finie et hypo-élastique), algorithme de contact…

Directeur de thèse et école doctorale : Bruno DESPRES – [email protected] Université Paris 6

Contact : Gilles KLUTH – [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01.69.26.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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56/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation

Sujet :

Modélisation physique, étude d’un schéma numérique et développement d’une maquette 1 D pour la simulation des écoulements fluides par un formalisme multicontinu Contexte : Afin d'améliorer la robustesse des simulations d'écoulements fluide-particules, le CEA envisage de développer des modélisations multicontinues en lieu et place des approches classiques consistant à coupler les équations de Boltzmann et d'Euler. Ces modélisations sont plus complexes du point de vue des schémas numériques mis en œuvre, leur implantation dans des codes de calcul est plus ardue, mais elles permettent d'élargir le champ d'application des simulations, notamment aux sprays denses (fraction volumique > 10%).

Objectif de la thèse : L'objectif de cette thèse est donc d'étudier les modèles physiques existants, d'analyser et de développer des schémas numériques adaptés, puis d'écrire un code 1D. Ce code de simulation servira à tester à la fois les aspects numériques (stabilité, centrage, ordre, extension possible au 2D/3D, etc.) et physiques (mises en groupe des particules, fermetures, etc.).

La simulation des écoulements à particules dispersées et d'un fluide présente une importance industrielle majeure dans de nombreux domaines (combustion, énergie, chimie, etc.). Elle est le plus souvent réalisée par la discrétisation couplée d’équations de l’hydrodynamique (pour le fluide « porteur ») et d’équations de Boltzmann (pour les particules). L’équation de Boltzmann est le plus souvent numérisée dans ce cas par une méthode de type Monte-Carlo. Plusieurs régimes importants sont correctement décrits par cette approche, éventuellement enrichie par divers termes (collisions, compressibilité, fragmentations, etc.), mais elle est rapidement contrainte (robustesse, temps de calcul, etc.) dans le régime dit des « spray denses », c'est-à-dire pour des fractions volumiques typiquement au-delà de 10%. Ces contraintes affectent par contrecoup l’ensemble d’une simulation dès qu’une petite partie du domaine se retrouve en « spray dense ».

Dans le régime de spray dense, des descriptions bi- ou multi-fluide deviennent applicables. Ces approches sont beaucoup plus robustes et économiques, bien qu’elles présentent d’autres difficultés, certes non négligeables (équations non conservatives, ellipticité éventuelle, etc.), mais bien connues et maîtrisées depuis plus de vingt ans. Pour décrire un écoulement à particules pouvant transiter vers le régime de spray dense, il est donc nécessaire de réaliser soit un couplage entre équation de Boltzmann et équations multicontinues, soit une extension des équations multi-fluides au domaine du « spray dilué ». Bien qu’effectivement développée, la première solution apparaît complexe et fragile. La seconde, qui revient à une discrétisation par groupes de l’équation de Boltzmann et que l’on peut donc appeler « multi-continue », ne pose pas a priori de problèmes numériques majeurs, mais reporte les difficultés sur les fermetures physiques (termes d’échange en particulier).

Le CEA désire étudier les aspects numériques et physiques des descriptions multi-continues d’une large gamme d’écoulements à particules (allant en particulier des régimes dits de « sprays denses » aux « spray dilués »). Pour ce faire il désire disposer d’une maquette de tests 1D générique.

Déroulement de la thèse : Le travail de thèse proposé consistera donc à : - étudier les principales modélisations et options numériques actuellement disponibles, - développer un nouveau schéma numérique ou adapter un schéma existant, en tenant compte des contraintes

particulières qu’imposent les besoins propres du CEA (souplesse d’adaptation des modèles, centrages, ordre, extension 2D, gestion des singularités, etc.),

- écrire un code 1D selon les principes retenus, - valider et évaluer ce code sur des écoulements académiques ou d’intérêt industriel pour en estimer son potentiel

d’adaptation à des physiques très variées et à d’éventuelles extensions 2D et 3D.

Directeur de thèse : Antoine LLOR – [email protected]

Contact : Christophe FOCHESATO – [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01.69.26.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 57/130

Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation

Sujet :

Adaptation des méthodes Lagrange-Projection pour l’hydrodynamique multi-matériaux en vue du portage sur architecture exaflopique Contexte : Pour ses besoins en simulation numérique, le CEA/DAM s'oriente progressivement vers des architectures de calcul exaflopique, constituées de dizaines de milliers de processeurs. Au delà des difficultés d'ordre informatique, il est observé que les méthodes numériques d'aujourd'hui présentent des difficultés de passage à l'échelle, c'est-à-dire que l'efficacité de la parallélisation des algorithmes baisse à partir d'une certaine échelle de taille de machines.

Il convient alors de repenser – à la fois en termes d'algorithme mais aussi d'architecture logicielle – les méthodes numériques. Dans cette thèse, on s'intéresse au portage et/ou à l'adaptation des méthodes eulériennes dites Lagrange-projection pour la simulation numérique en hydrodynamique multi-matériaux sur architecture exaflopique.

Objectif de la thèse : Les méthodes Lagrange-projection présentent un ensemble d'avantages par rapport aux méthodes volumes finis conservatives classiques. Constituées d'une phase Lagrangienne, elles permettent un couplage plus aisé avec différentes physiques ainsi qu'un contrôle fin de la diffusion numérique et de la dissipation d'entropie. Une deuxième phase dite de projection permet de revenir sur la grille eulérienne de départ. Cette phase peut néanmoins devenir coûteuse et complexe, notamment en 3D et en présence d'interfaces multimatériaux.

Les objectifs de cette thèse sont multiples. Il s'agit premièrement d'adapter ou de proposer une variante de la méthode Lagrange-projection qui se prête particulièrement au portage sur machine exaflopique. Le deuxième objectif est de tenir compte des spécificités de l'architecture parallèle (ou des architectures parallèles) d'intérêt afin d'optimiser l'efficacité de la parallélisation.

Concernant le premier point, le CMLA et le Laboratoire LSi du CEA/DAM ont conçu conjointement la méthode Lagrange-flux où la phase de projection est remplacée par un bilan de flux conservatif. La méthode conservative résultante est une méthode Volumes Finis eulérienne conservative où le calcul des flux numériques fait intervenir une étape Lagrange. La parallélisation de la méthode sur grille cartésienne est préssentie comme très performante. Il s'agira toutefois d'étudier avec précision le cas des mailles mixtes multi-matériaux avec présence d'interfaces.

En tant que méthode innovante, dans cette thèse on fera l'étude et l'analyse numérique de la méthode Lagrange-Flux, en exhibant les avantages et inconvénients de la méthode par rapport aux méthodes Lagrange-projection de référence. L'étude devra être étoffée d'un ensemble de comparaisons de résultats numériques confirmant l'analyse théorique. On s'intéressera ensuite aux aspects de parallélisation et au portage sur machine exaflopique. A titre de « preuve de concept », la thèse s'intéressera notamment au portage de la méthode Lagrange-Flux sur carte graphique multi-cœur ou cluster de GPGPU. Soulignons qu'aujourd'hui, une carte graphique nVIDIA GTX590 architecture FERMI possède 1024 cœurs, et permet à elle seule d'atteindre le Teraflop crête Double Precision au standard IEEE.

Directeur de thèse et école doctorale : Florian DE VUYST – [email protected] ENS Cachan – 01 47 40 59 28

Contact : Raphaël PONCET – [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01.69.26.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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58/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation

Sujet :

Equilibrage de charge pour des simulations multi-physiques par partitionnement multi-critère de graphe Contexte :

Les simulations numériques de phénomènes physiques nécessitent des calculs coûteux sur une importante quantité de données. Il est donc nécessaire de paralléliser ces codes de calcul en distribuant les données et les calculs associés. La distribution des données est généralement générée par un calcul de partitionnement de graphes qui a pour but d'équilibrer la charge de calcul sur les différentes unités, tout en minimisant les communications induites par la distribution.

Dans le cas de nombreux phénomènes physiques complexes, les simulations numériques reposent sur plusieurs modèles physiques couplés entre eux. La localisation des charges de calcul sur le domaine physique pouvant être différente selon les parties du code, une distribution performante doit optimiser de manière globale le temps de calcul, c'est-à-dire équilibrer les coûts de chacune des étapes lorsqu'elles s'enchaînent dans le temps.

Ce problème peut être modélisé par un partitionnement multi-critère de graphe, c'est-à-dire que plusieurs poids sont associés à chaque sommet. La plupart des outils actuels de partitionnement de graphe ne permettent que de traiter des graphes ayant au plus un poids à chaque sommet et les rares approches multicritères ne fournissent généralement pas une qualité de partitionnement satisfaisante. Objectif de la thèse :

Notre premier objectif est de concevoir des algorithmes permettant de calculer des partitionnements multicritères de graphes. Le but de la thèse est ensuite de les intégrer dans l'outil Scotch afin qu'il soit possible de réaliser des calculs de partitionnement de graphe multi-critère en séquentiel ainsi qu'en parallèle.

La qualité des résultats obtenus sera évaluée en mesurant l'impact de l'utilisation de Scotch multi-critère dans le cadre d'expérimentations à grande échelle (quelques milliers de coeurs de calcul) sur des simulations numériques multi-physiques. On cherchera également à concevoir des algorithmes susceptibles de passer à l'échelle sur de très grands nombres de cœurs, correspondant aux tailles des machines en cours de construction.

Déroulement de la thèse :

Cette thèse sera co-encadrée par François Pellegrini, responsable du projet Scotch à l'Université Bordeaux 1 et à l'Inria Bordeaux. La première phase de la thèse consistera à concevoir des algorithmes pour le partitionnement multi-critère. La seconde phase correspondra à leur implantation dans le code Scotch en séquentiel puis en parallèle. La troisième phase correspondra à la validation de la réalisation logicielle avec des cas réalistes de simulations numériques multi-physiques. Les moyens de calcul massivement parallèle du CEA/DAM seront utilisés pour valider la démarche.

Planning prévisionnel.

Janvier 2013 à septembre 2013 (9 mois) :

Revue des approches existantes sur les méthodes de partitionnement multi-critère (PaToH, MeTiS). Analyse du code source de ces outils afin d’identifier l’implantation réelle des algorithmes. Familiarisation avec le code existant et les règles de codage de Scotch. Définition formelle des problèmes de partitionnement multicritères pour l’équilibrage de charge. Rédaction d’un état de l’art.

Octobre 2013 à octobre 2014 (12 mois) :

Conception d’algorithmes pour le partitionnement bi-critère, puis multi-critère. Intégration de ces algorithmes dans la version séquentielle de Scotch. Un algorithme utilisant plusieurs partitionnements mono-critères de Scotch pourra notamment être implanté et évalué. Rédaction et soumission d’un article sur ces travaux.

Octobre 2014 à juin 2015 (9 mois) :

Généralisation des approches précédentes aux graphes distribués et implantation dans la version parallèle de Scotch. Évaluation dans le cadre de simulations numériques complexes à grande échelle (plus de 10 000 processeurs). Rédaction et soumission d’un article sur ces travaux.

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 59/130

Juillet 2015 à décembre 2015 (6 mois) :

Rédaction du manuscrit et soutenance de thèse. Possibilité de soumettre / mener un calcul « Grand Challenge ».

Impact du travail : Dans le cadre du programme Simulation, les codes de calculs mêlent l'utilisation couplée de méthodes numériques complexes et nécessitent d'importants moyens de calculs parallèles. La distribution des données est un des facteurs conditionnant l'efficacité de ces codes de calculs et dans le cadre de la plateforme Arcane nous avons pu clairement mettre en évidence la nécessité d'avoir des outils de partitionnement de graphes multi-critères. Cette thèse nous offrirait l'opportunité d'avoir une solution correspondant au mieux à nos contraintes et l'intégration de ce travail dans le logiciel Scotch qui jouit d'une bonne réputation dans la communauté serait une bonne vitrine pour la DAM.

L'aspect multi-critère du partitionnement est un axe de recherche difficile dont les problématiques sont aussi régulièrement évoquées dans le cadre des accords de recherche NNSA-CEA/DAM (le partitionnement fait explicitement partie de la collaboration).

Le fait de travailler dans le cadre de Scotch permettra néanmoins de limiter les difficultés pratiques en permettant de travailler dans un environnement logiciel efficace, et donc de se concentrer sur la seule problématique multi-critère, pour laquelle il semble possible d'apporter des contributions significatives dans le cadre d'une thèse.

Directeur de thèse et école doctorale : François PELLEGRINI – franç[email protected] LaBRI et INRIA Bordeaux Sud-Ouest

Contact : Cédric CHEVALLIER – [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01.69.26.40.00

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60/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation

 

Sujet :

Développement d’un potentiel réactif pour simuler des réactions chimiques en phase condensée – Application à la sensibilité aux chocs des explosifs Cette thèse de modélisation se déroulera au Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives, sur le Centre d’Etudes du Ripault, près de Tours (37).

Contexte :

Les outils actuels permettent de simuler la dynamique de nombreux atomes et donc de prévoir certains aspects du comportement des matériaux. Dans un souci de sécurité, il serait souhaitable d’étudier la décomposition de matériaux organiques sous l’effet d’une élévation de température ou d’un choc. Ces phénomènes peuvent en effet conduire à des dégagements toxiques, à des explosions, etc… Leur simulation demeure inaccessible faute de disposer d’un modèle adéquat pour décrire les forces entre atomes lors de la rupture ou de la formation de liaisons chimiques.

Objectif de la thèse :

Un double objectif est poursuivi : 1) prévoir sans calcul quantique les stabilités relatives de composés chimiques ; 2) évaluer un premier modèle permettant de décrire les énergies d’activation et donc la cinétique de réactions chimiques.

Déroulement de la thèse :

Le sujet comporte plusieurs parties indépendantes. Tout d’abord, une base étendue de calculs ab initio sera exploitée afin de poursuivre le développement d’une méthode visant à calculer précisément les énergies relatives de molécules sans calculs quantiques (J. Chem. Theory Comput. 8, pp. 1295-1303, 2012). Ensuite, un modèle classique pour les distributions électroniques (J. Chem. Phys. 127, 224103, 2007) sera adapté afin de fournir les ordres de liaison nécessaires à la formulation d’un potentiel réactif. Finalement, une expression des forces entre atomes en fonction de la distribution des électrons et des positions atomiques sera développée. En dernier lieu, la capacité du potentiel ainsi obtenu à restituer les énergies d’activation sera évaluée. Les travaux préliminaires du laboratoire permettent de garantir des progrès par rapport aux méthodes existantes, du moins au niveau des premières étapes. Pour le potentiel final, il est seulement possible de garantir sa supériorité par rapport à un modèle existant (ReaxFF) en ce qui concerne les énergies relatives des espèces chimiques. Ses performances pour le calcul des énergies d’activation et des chemins réactionnels ne pourront être évaluées qu’à l’issue du projet. Dans le cadre de cette thèse, il est également envisagé en fonction de l’avancée des travaux de pouvoir synthétiser une nouvelle molécule, de la caractériser d’un point de vue sensibilités thermique et au choc et ainsi de pouvoir comparer les données modélisées aux données expérimentales.

Techniques mise en œuvre :

Modélisation : programmation Python/C, utilisation d’algorithmes de régression linéaire/non linéaire et d’optimisation, de codes de chimie quantique et de mécanique moléculaire. Techniques expérimentales : synthèse organique (réacteurs, petit matériel de laboratoire), analyse thermique (DSC, micro-DSC), mesure de sensibilités aux chocs. Directeurs de thèse et école doctorale : D. Mathieu, Université d’Orléans-Tours

Contact : Didier Mathieu - [email protected] CEA/Le Ripault - 02 47 34 40 00

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 61/130

Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation

Sujet :

Étude et validation d’un modèle pour le transport de particules dans des milieux fortement hétérogènes avec application à la fusion inertielle pour l’énergie Contexte :

Les travaux envisagés ici sont motivés par la physique de la fusion nucléaire contrôlée pour la production d’énergie. Les installations utilisées pour produire cette énergie sont également une source de particules relativistes intenses (ions, protons, électrons). Ces particules peuvent trouver diverses applications comme les diagnostics des plasmas de fusion, pour les traitements des matériaux ou en médecine.

Une compréhension détaillée de la physique des plasmas HDE requiert un progrès important dans la théorie et dans la mise en œuvre des outils de simulations multidimensionnelles, de la génération et le transport des faisceaux intenses d’électrons relativistes et d’ions énergétiques. Cela permettra de développer des nouveaux diagnostics pour les plasmas et de conduire des études sur l’allumage rapide pour la FCI. Les outils numériques développés dans le cadre de ce projet seront utilisés pour modéliser des expériences menées sur les Lasers de puissance.

Pour améliorer la connaissance de la physique du transfert des particules énergétiques dans un plasma, le CELIA développe depuis maintenant quatre ans un code cinétique pour Fokker-Planck-Landau appelé KETS pour le transport des électrons. Ce code résout l’équation cinétique bi-dimensionnelle en espace et tri-dimensionnelle en vitesse. La modélisation utilise les équations de Maxwell pour restituer l’évolution des champs électrique et magnétique. Le code KETS est complété par un module rapide basé sur une méthode approchée pour la résolution des équations cinétiques qui permet de prévoir le transport des électrons. Ce modèle approché repose sur une prise de moyenne angulaire des fonctions des distributions des électrons.

Objectif de la thèse :

Ce code ne prend en compte actuellement que les collisions élastiques entre des électrons et avec des ions immobiles. Notre objectif ici est de proposer et développer une modélisation numérique cinétique plus réaliste capable de simuler le transport des plasmas denses et chaud. Notre but est de pouvoir mener à bien les simulations numériques précises de ces phénomènes jusqu’à un temps suffisamment grand nécessaire à la compréhension de l’ensemble du phénomène.

Déroulement de la thèse :

Les travaux de thèse se déclinent comme suit : une première étape consistera à considérer les ions comme un fluide. Pour cela, on construira un modèle fluide pour les ions et cinétique pour les électrons. Le couplage s’effectuera à l’aide des équations de Maxwell. Dans une deuxième étape il faudra passer à une description cinétique des ions. Finalement, dans une dernière étape, on introduira les corrections relativistes et l’approche sera validée par comparaison avec des résultats analytiques et expérimentaux.

Directeur de thèse et école doctorale : Stéphane Brull laboratoire IMB Université de Bordeaux Ecole doctorale de mathématiques et informatique, Université de Bordeaux

Contact : Bruno Dubroca, laboratoire CELIA, Université Bordeaux I 05 40 00 37 66

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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62/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation

Sujet :

Développement d'un code ALE-AMR pour la résolution des équations de l'hydrodynamique Lagrangienne

Contexte : La Fusion par Confinement Inertiel (FCI) est une des voies prometteuses pour atteindre la combustion thermonucléaire d'un matériau fusible, dans la perspective de produire de l'énergie. Dans le cadre du projet Laser Megajoule (LMJ), le laboratoire CELIA développe un programme de recherche concernant la FCI en attaque directe et a mis au point des outils numériques dédiés à la conception et à l'interprétation d'expériences de FCI. L'hydrodynamique de l'implosion d'une cible FCI est un processus très complexe. La simulation de ce phénomène consiste à résoudre les équations de la dynamique des gaz en coordonnées de Lagrange. Le formalisme Lagrangien utilise un maillage lié à la matière. Cette écriture est bien adaptée à la description de ce type d'écoulements. Les méthodes Lagrangiennes classiques souffrent néanmoins d'un manque de robustesse lorsque la vorticité et le cisaillement au sein de l'écoulement deviennent trop importants. La conséquence de ce manque de robustesse est l'apparition de mailles non-convexes voire croisées. Une stratégie possible pour remédier à ce type de problème consiste à régulariser le maillage afin d'améliorer la qualité géométrique des mailles. Ensuite, les variables de l'écoulement sont projetées de l'ancien maillage vers le maillage régularisé. Cette méthode dénommée Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) permet d'améliorer la robustesse des codes de calcul Lagrangiens. La perte de précision lors du remaillage pourra être compensée par l'utilisation de méthodes Adaptative Mesh Refinement (AMR). En effet, dans cette méthode le maillage est automatiquement raffiné dans les zones où une grande précision est nécessaire.

Objectif de la thèse : Le doctorant devra mettre au point un code de simulation qui permettra de tester les méthodes AMR dans le cadre ALE. En effet, le CELIA possède des codes de simulations hydrodynamiques ALE dans lesquels l'implémentation de l'AMR permettra d'en améliorer la robustesse et la précision. Le coût en temps de calcul de ce type de simulation étant croissant, il nécessite dans certain cas, plusieurs jours de calcul. Le développement de ce code se fera donc en utilisant des techniques de calcul massivement parallèle grâce à la bibliothèque MPI et en utilisant des méthodes de décomposition de domaines.

Déroulement de la thèse : Cette thèse sera effectuée au CELIA et s'effectuera en plusieurs étapes. Dans un premier temps le doctorant devra résoudre des problèmes d'advection linéaire pour ensuite étudier la résolution de la dynamique des gaz. Ces différentes études seront tout d'abord effectuées en 1D pour ensuite être généralisées en multi-D (2D/3D).

Directeur de thèse et école doctorale : R. Abgrall INRIA Bordeaux

Contact : Jérôme Breil : [email protected] 05 40 00 37 56

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 63/130

Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation

Sujet :

Modélisation du transport et du calcul du dépôt de particules dans des milieux fortement hétérogènes avec application à la radiothérapie

Contexte :

Les travaux envisagés ici sont motivés par la physique médicale. Les installations utilisées en radiothérapie conventionnelle reposent sur des sources de particules intenses (ions, protons, électrons). En outre, ces particules peuvent trouver diverses applications en dehors du champ médical comme les diagnostics des plasmas de fusion, pour les traitements des matériaux. Les outils numériques existants et utilisés actuellement sont soit trop lourds et inadaptés pour l'usage quotidien (codes de type Monte Carlo) soit ils ne sont pas suffisamment précis comme les codes de type "pencil beam" (rayon mince).

Récemment, le CELIA en collaboration avec l'équipe du professeur Martin Frank au RWTH à Aachen en Allemagne a développé une nouvelle méthode approchée pour la résolution des équations cinétiques (modèle M1) qui permet de prévoir avec précision et rapidité le transport des photons et des particules chargées (protons, électrons) dans un milieu dense et hétérogène. Par exemple, le calcul complet du dépôt de dose par des faisceaux d'électrons dans une hanche ne requiert que 4 secondes sur un ordinateur portable au lieu des 90 heures par les méthodes Monte-Carlo actuellement utilisées en radiothérapie. Cependant ce modèle connaît quelques limitations liées à l'interaction de plusieurs faisceaux de particules ou au comportement au voisinage de parois. Le modèle suivant dans la hiérarchie, M2 n'est pas astreint à ce type de problèmes.

Les photons X produits par les accélérateurs linéaires utilisés en radiothérapie nécessitent de considérer le couplage entre les électrons et les photons voire les positrons dans le cas des intensités les plus élevées. Les électrons sont produits par effet Compton et les photons par Bremsstrahlung. Ce couplage peut se décrire par deux équations de Boltzmann couplées. La version actuelle ne prend pas en compte l'interaction entre plusieurs faisceaux ou les photons.

Objectif de la thèse :

Notre objectif dans cette thèse est donc de remplacer le modèle M1 existant par le modèle M2 couplé avec le transport des photons pour pouvoir simuler le transport des électrons, des positrons et des photons. En partenariat avec les mathématiciens du RWTH d’Aachen et en collaboration avec l'équipe de physiciens de l'Institut Bergonié le code sera développé et validé avec des comparaisons des simulations de type Monte-Carlo. On pourra ainsi procéder à des simulations numériques précises et rapides pour le transport des particules et pour le calcul du dépôt de dose en radiothérapie dans les milieux hétérogènes.

Déroulement de la thèse :

Les travaux de thèse se déclinent comme suit : une première étape consistera à ajouter le couplage des photons. Dans une deuxième étape il faudra passer au modèle M2. Finalement, dans une dernière étape, l’approche sera validée par comparaison avec des résultats Monte-Carlo et expérimentaux.

Directeur de thèse et école doctorale : Bruno Dubroca, Université de Bordeaux Ecole doctorale de mathématiques et informatique

Contact : Bruno Dubroca, laboratoire CELIA Université Bordeaux I, 05 40 00 37 66

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : Région Aquitaine et Université d'Aachen

 

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64/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation

Sujet :

Simulation numérique de l’effet Hall et perturbations atmosphériques

Contexte :

L’ionosphère terrestre est un milieu partiellement ionisé, principalement par le rayonnement solaire. Aussi, elle joue un rôle important dans la propagation des ondes radio dans certaines gammes de fréquence, aussi bien pour les communications terrestres que pour les liaisons terre-satellite. Dans cette thèse, on s’intéresse à la modélisation et à la simulation numérique des perturbations ionosphériques et plus généralement atmosphériques, naturelles ou non, dont l’importance des effets sur la propagation des ondes électromagnétiques est bien connue. De façon générale, les modèles utilisés pour décrire l’évolution en temps court de ces perturbations sont de type « MHD » (Magnétohydrodynamique), le champ magnétique pouvant être figé ou pas selon l’intensité de la perturbation considérée. A contrario, en temps long, les modèles utilisés sont de type « Dynamo » ou « Striation ». Il va de soi que la cohérence des modèles doit être respectée si l’on veut restituer le plus fidèlement possible ces perturbations à l’aide de logiciels numériques s’appuyant sur ces modèles. En particulier, les modèles en temps long sont basés a priori sur des modèles MHD prenant en compte l’effet Hall, et ce dernier doit donc être aussi traité dans la phase temps court. On s’intéressera dans le cadre de cette thèse au développement de méthodes numériques prenant en compte l’effet Hall dans les modèles « MHD » à champ figé ou non.

Objectif de la thèse :

Cette thèse a pour objectif de développer une méthode numérique efficace permettant de traiter l’effet Hall dans un code de MHD atmosphérique. Celle-ci devra être compatible de certains régimes limites et donc de type Asymptotic Preserving pour soit traiter le caractère figé du champ magnétique, soit être consistante avec les modèles en temps longs Dynamo-Striation.

Déroulement de la thèse :

Le cadre général de cette thèse est la simulation numérique de l’évolution d’un plasma ionosphérique soumis à une perturbation initiale, et en particulier la prise en compte de l’effet Hall dans les codes de MHD. En pratique, lorsque l’on dérive rigoureusement les équations de la MHD à partir des équations d’Euler-Maxwell pour un plasma composé d’ions et d’électrons, on considère que les échelles de temps sont suffisamment grandes pour pouvoir négliger les termes d’inertie dans l’équation de quantité de mouvement des électrons qui sont supposés être dans un régime collisionel. Ceci permet d’établir ce qu’il est d’usage de dénommer la loi d’Ohm généralisée. Cette loi met en jeu plusieurs termes qui sont :

- le terme de champ gelé qui donne lieu à la MHD idéale, - le terme de collisions électrons-ions engendrant la diffusion magnétique dans l’équation d’induction, - le terme de gradient de pression électronique ∇ pe / ne (pe pression électronique et ne densité électronique), - le terme d’effet Hall en (Jx B)/ne où J est le courant et B le champ magnétique.

Bien souvent les termes d’effet Hall et de gradient de pression sont négligés, car ils sont considérés comme peu importants pour l’étude considérée. Ici, nous nous concentrons sur l’effet Hall dont la prise en compte est nécessaire afin d’assurer la cohérence entre les modèles utilisés en temps court, de type MHD, et ceux utilisés en temps long, de type Dynamo-Striation.

On distinguera dans cette thèse deux axes essentiels. Le premier concerne le traitement numérique de l’effet Hall proprement dit dans un code de MHD standard, i.e. avec un champ magnétique évoluant au cours du temps. Ce premier axe constitue un point difficile à traiter compte tenu du caractère dispersif de l’opérateur mathématique associé à l’effet Hall ainsi que des constantes de temps induites. Bien que de nombreux auteurs aient déjà abordé ce problème, il ne se dégage pas à ce jour de méthode satisfaisante. En particulier, les méthodes numériques ne s’appuient pas particulièrement sur la nature mathématique de l’opérateur Hall, ce qui est en général un minimum requis. Quelques investigations dans cette direction seront réalisées. On pourra par exemple considérer dans un premier temps une méthode de Galerkin qui a le bon goût de conserver l’énergie vis-à-vis de l’opérateur Hall.

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 65/130

Le deuxième axe de cette thèse concerne la cohérence des méthodes numériques par rapport aux modèles utilisés. En effet, d’une part dans la phase en temps court, il est possible de considérer soit un modèle MHD avec champ non figé soit un modèle MHD avec champ figé selon l’intensité de la perturbation initiale. Le modèle avec champ figé présente l’avantage de ne pas avoir à gérer le retour à l’équilibre du champ magnétique terrestre. Le modèle avec champ figé peut aussi être envisagé pour prendre le relais de la phase MHD standard lorsque les effets hydrodynamiques sont encore importants mais que le champ magnétique terrestre est revenu à sa situation d’équilibre. On s’attachera donc à développer une méthode numérique compatible avec l’une ou l’autre de ces approches, i.e. champ magnétique figé ou non. De même, la cohérence du modèle MHD en champ figé et des modèles en temps long de type Dynamo-Striation pourra être abordée. D’un point de vue théorique le passage d’un modèle à l’autre se fait par la mise en évidence d’un petit paramètre mesurant l’inertie des ions. Le modèle Dynamo est obtenu lorsque ce petit paramètre est nul. Il sera alors intéressant de mettre au point une technique numérique Asymptotic Preserving stable et robuste par rapport à ce paramètre. Cette méthode devra en outre tenir compte de la forte anisotropie des différentes conductivités intervenant dans les modèles. En effet, la conductivité alignée (conductivité dans la direction des lignes de champ magnétique) tend vers l’infini lorsque la fréquence de collisions électrons-ions tend vers zéro, donc lorsque l’altitude devient grande. La méthode numérique proposée devra, dans un souci de cohérence, ne pas s’appuyer sur un maillage aligné selon les lignes de champ magnétique, mais plutôt sur un maillage géocentrique.

Directeur de thèse et école doctorale : Pierre DEGOND (Université Paul Sabatier, Toulouse,/MIP)

Contact : Gérard Gallice – CEA/CESTA

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66/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation

Sujet :

Etude de l’interaction écoulement-particules dans le régime supersonique

Contexte :

Le cadre de cette thèse concerne la modélisation physico-numérique de l’écoulement supersonique autour d’un véhicule rentrant dans les couches denses de l’atmosphère. Cet écoulement est caractérisé par une onde de choc détachée enveloppant le véhicule et par une couche limite visqueuse au voisinage de la paroi. Lors de cette rentrée, l’écoulement peut contenir des particules de nature, de forme et de taille variées. L’impact de ces particules est susceptible d’endommager le matériau constituant la paroi du véhicule et par là même de modifier son état de surface. Par ailleurs l’interaction des particules sur l’écoulement peut modifier ses caractéristiques principales (choc détaché et couche limite) et induire des modifications du flux de chaleur parétial.

L’objectif de ce travail est d’intégrer un module de simulation de particules complet dans un code d’aérodynamique supersonique tri-dimensionnel afin de prendre en compte les effets des particules. Pour cela plusieurs étapes sont nécessaires :

- disposer d’un module de trajectographie tri-dimensionnelle des particules pour simuler leurs trajectoires,

- développer un modèle thermique pour les particules afin d’étudier leur ablation et leur dislocation dans l’écoulement,

- développer un module de collision interparticulaires et notamment gérer l’impact de la turbulence sur les collisions interparticulaires,

- étudier l’interaction d’une particule avec la paroi, notamment sa fragmentation au moment de l’impact.

Une fois ces étapes franchies, on abordera la question de la rétroaction des particules sur le choc et la couche limite. Il faudra alors envisager de passer le code de calcul en mode instationnaire (au moins partiellement) afin de capturer les échanges entre l’atmosphère et les particules et d’évaluer leur impact sur la position du choc.

Chaque étape nécessitera une validation physico-numérique afin de garantir la cohérence des résultats fournis par le code de calcul. On s’attachera également à démontrer la validité mathématique des modèles proposés ainsi que celle de leur couplage.

Objectif de la thèse : Proposer une modélisation physico-numérique pertinente de l’interaction écoulement-particules dans le régime supersonique.

Déroulement de la thèse : Septembre 2013-septembre 2016

Directeur de thèse et école doctorale : M. Massot professeur 1ère classe (Ecole centrale de Paris)

Contact : P.-H. Maire, J. Mathiaud

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : CEA/Labex CPU (IDEX Bordeaux)

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 67/130

      

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68/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

 

Sujet :

Sources Compton et bêtatron créées dans un accélérateur d’électrons par sillage laser Contexte :

Le développement de source X est primordial pour diagnostiquer, imager ou radiographier des objets ou plasmas denses. A titre d’exemple on peut citer les plasmas obtenus lors d’expérience de fusion par confinement inertiel. De telles sources X peuvent être générées dans des accélérateurs à sillage laser. Dans ces accélérateurs, un laser ultra-intense et ultra-court interagit avec un plasma peu dense et crée dans son sillage des champs électriques qui peuvent accélérer très fortement un faisceau d’électrons. Lors de leur accélération, les électrons oscillent transversalement et émettent naturellement un rayonnement de type synchrotron appelé rayonnement bêtatron. Un autre type de source, appelée source Compton, a récemment été obtenue dans un tel accélérateur laser-plasma. L'utilisation d'un miroir plasma situé à la fin de l’accélérateur permet à l'impulsion laser de se réfléchir et d'entrer en collision avec le faisceau d'électrons qui suivait le laser dans son sillage. L’interaction des électrons accélérés avec le champ laser revenant en sens contraire génère le rayonnement Compton. L'intérêt de ces deux types de sources, bêtatron et Compton, est de pouvoir générer du rayonnement X de très grande brillance, de haute énergie (de quelques keV à dizaines de keV pour le bêtatron, et jusqu’à plusieurs centaines de keV pour le Compton avec les installations laser actuelles), avec une taille de source micrométrique et une durée de l'ordre de la femtoseconde. Ces caractéristiques uniques permettent de réaliser l’imagerie ou la radiographie d’objets denses avec une très bonne résolution spatiale et temporelle. Objectif de la thèse :

Le but de la thèse est d’étudier théoriquement et à l’aide de la simulation les sources bêtatron et Compton. Les moyens de simulation développés dans le laboratoire permettent déjà de modéliser l’accélération des électrons et la production du rayonnement bêtatron, grâce en particulier au code CALDER, qui est un code PIC (Particle-In-Cell). Le premier objectif de la thèse portera donc sur la modélisation du rayonnement Compton. CALDER devra être adapté pour modéliser le miroir plasma et permettre le calcul de ce rayonnement. Un deuxième objectif consistera à comparer et optimiser les caractéristiques des sources bêtatron et Compton (énergie des photons, intensité, divergence, etc.) qui pourraient être produites avec les installations laser actuelles et futures. L’un des intérêts sera de déterminer si ces sources seront adaptées aux applications envisagées en fonction des installations laser considérées. Déroulement de la thèse :

Le travail demandé consistera d’abord à adapter le code CALDER pour pouvoir calculer le rayonnement Compton. Des comparaisons entre simulation et expérience devront ensuite valider les développements numériques effectués. Les outils de simulation ainsi validés seront ensuite utilisés pour prédire les caractéristiques des sources bêtatron et Compton qui pourront être créées sur différentes installations laser. L’étude théorique de la physique en jeu couplée à la simulation permettra de proposer des paramètres expérimentaux optimisant ces sources en fonction des applications envisagées ou des objets à diagnostiquer ou radiographier. Contact : Xavier Davoine - [email protected] CEA/DAM Ile-de-France - 01 69 26 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Optique, lasers et plasmas

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 69/130

Sujet :

Imageur haute résolution pour l’étude des sources X multi-keV créées par interaction laser

Contexte : Le sujet de thèse proposé s’inscrit dans le cadre de la production et de la caractérisation d’une source de rayonnement X durs (K-alpha de 20 keV et plus) pour de futures expériences de radiographie sur les installations PETAL et LMJ du CEA. Les expériences se feront en banc d’essai au Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (LULI, Ecole Polytechnique) qui permet de combiner un faisceau laser de chauffage nanoseconde à une impulsion picoseconde nécessaire à la production de la source de radiographie. L’impulsion longue est utile pour réaliser un plasma préformé susceptible d’améliorer le couplage de l’énergie de l’impulsion courte à la population d’électrons chauds et ainsi augmenter le niveau d’émission X. L’imageur à développer sera un diagnostic fondamental pour l’optimisation du niveau d’émission X et l’estimation de la dimension de la source X au cours des expériences.

Cette thèse porte sur la conception et la réalisation d’un imageur X monochromatique accordable, destiné à faire des images à haute résolution spatiale. Elle sera effectuée en collaboration avec le LULI.

Objectif de la thèse : En faisant interagir un laser ps à ultra-haute intensité (UHI), sur un plasma, il est possible d’accélérer les électrons du plasma à des énergies relativistes sous l’effet de la force pondéromotrice ou par différents autres processus comme le chauffage. Ces derniers, en traversant la cible et selon les conditions expérimentales, peuvent générer des particules secondaires comme des protons, des positrons, du rayonnement X (rayonnement bremsstrahlung + rayonnement K-α). Le rayonnement K-α (rayonnement de raies) est produit par les électrons énergétiques lorsqu’ils traversent la cible de conversion. Ces derniers peuvent en effet ioniser la matière en profondeur, l’émission K-α correspondant à un rayonnement de fluorescence produit lorsqu’un électron d’une couche externe vient combler un trou en couche interne K créé par ces électrons suprathermiques. Ce rayonnement X, dont l’énergie de raie peut varier typiquement entre 10 et 80 keV selon le numéro atomique de la cible, peut être utilisé pour réaliser la radiographie X de cibles relativement opaques comme celles qui seront utilisées sur le LMJ. La circulation des électrons énergétiques dans des petites cibles est également envisagée pour chauffer de manière isochore des échantillons à de fortes températures (quelques centaines de keV) ce qui intéresse la physique des plasmas à haute densité d’énergie. Etudier comment ces électrons circulent et déposent leur énergie dans la cible est donc essentiel pour ces deux thématiques.

Déroulement de la thèse : Le travail de thèse sera découpé en plusieurs étapes, chacune déclinée de la façon suivante :

1 : étude bibliographique et de synthèse faisant un état de l’art sur les imageurs ; 2 : modélisation de la production et du transport des électrons ainsi que de leur dépôt d’énergie dans la matière avec un logiciel spécifique en s’appuyant sur les moyens de calcul existant au LULI et au CEA ; 3 : conception innovante d’un imageur à résolution spatiale de l’ordre de 3 à 4 µm dans un champ millimétrique et sélectionnant des énergies de photons discrètes dans le domaine spectral à explorer [5 et 80 keV]. L’accordabilité en longueur d’onde permettra l’étude de cibles différentes. Les optiques X actuellement utilisées pour des imageurs sont principalement à base de miroirs interférentiels multicouches ; 4 : fabrication et validation expérimentale des éléments du diagnostic (optiques, détecteurs …) avec les moyens de métrologie accessibles (ligne de métrologie synchrotron, générateurs de rayonnement X du CEA) ; 5 : réalisation, caractérisation et mise en œuvre d’un prototype sur une installation laser du LULI ou (et) sur l’installation OMEGA du LLE (Laboratory for Laser Energetics, Rochester, USA), et réalisation d’expériences de radiographie ; 6 : exploitation des résultats et rédaction du mémoire de thèse. Directeur de thèse et école doctorale : Patrick Audebert – Ecole Polytechnique

Contact CEA : Philippe TROUSSEL – [email protected] CEA/DAM Ile-de-France - 01 69 26 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : LULI/CEA

Optique, lasers et plasmas

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70/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Optique, lasers et plasmas

Sujet :

Etude des propriétés des matériaux ablateurs pour les cibles de fusion par confinement inertiel dans des conditions extrêmes de densité et de température

Contexte : Le Laser MégaJoule, dont la construction est en cours d'achèvement au CEA/CESTA, a pour but de réaliser la fusion thermonucléaire par confinement inertiel (FCI). On cherchera alors à imploser une microbille remplie d'un mélange deutérium-tritium. Pour relever ce défi scientifique et technique, il est nécessaire de connaître avec précision les propriétés du matériau ablateur le long d'un chemin thermodynamique partant des conditions normales à des pressions de 100 Mbar et des températures de l'ordre du million de kelvin. Les matériaux ablateurs doivent être suffisamment légers pour accéder à des vitesses d'implosion élevées, tout en étant suffisamment opaques pour protéger le combustible des rayonnements parasites. Pour satisfaire ces conditions de fonctionnement, différents plastiques dopés avec des éléments de Z moyen (Ge, Si…) sont actuellement à l'étude au CEA.

Objectif de la thèse : Le travail de thèse proposé consistera à apporter une validation expérimentale des modèles utilisés dans les codes de simulation d'hydrodynamique radiative pour décrire les matériaux des cibles laser. On cherchera notamment à obtenir des états thermodynamiques proches des conditions de fonctionnement des cibles d'étude pour la FCI et d'y étudier des propriétés fondamentales telles que l'ionisation moyenne et la conductivité électrique.

Les expériences seront réalisées en France au Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses (LULI, Ecole Polytechnique) et au Japon à l'Université d'Osaka où une collaboration est déjà en cours sur ce sujet. Des expériences aux USA sont également envisagées. Des moyens de simulation conséquents (codes d'hydrodynamique radiative et de dynamique moléculaire quantique) seront mis à disposition pour dimensionner les expériences et interpréter les résultats expérimentaux en termes de données d’équation d’état ou de coefficients de transport.

Déroulement de la thèse : La thèse consistera à concevoir, réaliser et interpréter des expériences de mesure d'équation d'état de plastique dopé. La conception sera réalisée à l'aide de simulations hydrodynamiques et aboutira à des designs de cibles permettant d'obtenir des schémas de compression amenant à des états de densité et de température pertinents pour les études de FCI. La réalisation des expériences constituera la partie pratique de la thèse et permettra de développer de précieuses connaissances en instrumentation (mesures optiques, interférométrie, diagnostics X). L'extraction des données physiques sera réalisée à l'aide d'outils de traitement du signal disponibles au sein du laboratoire d'accueil au CEA. Les données seront interprétées en utilisant des modèles théoriques et des simulations de dynamique moléculaire quantique, réalisées dans un autre laboratoire du CEA, qui permettent in fine de mieux contraindre les calculs de dimensionnement de cibles à gain. Ce travail de thèse, expérimental et théorique, impliquera un dialogue soutenu avec des spécialistes de domaines très divers (expérimentateurs, théoriciens, numériciens, physico-chimistes…).

Directeur de thèse et école doctorale : Michel Koenig – Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses Ecole Polytechnique, 91128 Palaiseau, 01.69.33.53.92

Contact CEA : Gaël Huser - [email protected] CEA/DAM Ile-de-France - 01 69 26 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 71/130

Sujet :

Effets cinétiques ioniques dans les plasmas de fusion par confinement inertiel par laser

Contexte : La réalisation de la fusion par confinement inertiel (FCI) au moyen de lasers de fortes puissances est une voie potentielle de production d’énergie pour le futur. L’étape de démonstration consiste à produire une énergie thermonucléaire supérieure à l’énergie laser investie, on parle alors d’ignition. La démonstration de l’ignition nécessite des lasers de classe mégajoule. Cette démonstration est attendue pour 2012 aux Etats-Unis sur l’installation National Ignition Facility (NIF) mise en service en 2009 et ultérieurement en France sur l’installation laser mégajoule (LMJ) qui sera mise en service à partir de l’année 2014. Un nouveau programme européen, HIPER, se met également en place sur cette même thématique. Dans le cadre de la FCI, l’irradiation du milieu fusible, un mélange de DT contenu dans une capsule millimétrique, est déclinée suivant deux principes. Soit le milieu est directement irradié par un grand nombre de faisceaux afin d’assurer une compression la plus symétrique possible (attaque directe). Soit les faisceaux laser irradient une enceinte entourant le milieu fusible, constituée d’un matériau de numéro atomique élevé (de l’or par exemple). C’est l’émission X produite par la cavité après absorption de l’énergie laser qui assure alors la compression. Dans ce schéma d’attaque indirecte, la cavité contenant la cible est remplie d’un gaz qui une fois ionisé formera un plasma, ce dernier permettant de limiter la détente des parois ce qui aurait autrement pour conséquence un bouchage des trous d’entrée du laser dans la cavité. Une difficulté majeure identifiée est que la propagation des faisceaux laser dans le plasma de cavité, puis au niveau de la paroi d’or, est compromise par des instabilités qui vont diffuser l’onde incidente hors de la cavité, nuisant au rendement attendu. Ces instabilités de diffusion sont des phénomènes à seuils, sensibles à de nombreux paramètres et associées aux ondes plamas. Plus particulièrement, la diffusion Brillouin stimulée est associée aux ondes acoustiques ioniques et la diffusion Raman stimulée aux ondes de plasma électroniques. La diffusion Brillouin est très sensible à la composition isotopique des plasmas, via l’amortissement des ondes acoustiques ioniques. L’effet Landau est un mécanisme cinétique d’amortissement non collisionnel. Cet effet se produit sur une échelle plus fine que l’échelle hydrodynamique qui sert de base à la modélisation des plasmas. De même, la compréhension de l’évolution de plasmas constitués de plusieurs espèces ioniques nécessite dans certaines circonstances une connaissance plus fine que celle donnée par les échelles hydrodynamiques, par exemple lors de collisions de plasma ou d’interpénétration de plasmas.

Objectif de la thèse : L’objectif de la thèse est de reconsidérer les approches hydrodynamiques de l’interaction laser-plasma à l’aide de modèles théoriques et numériques prenant en compte les effets cinétiques ioniques multi-espèces, en régime collisionnel et non collisionnel. Cette physique contrôle les mécanismes fondamentaux comme l’amortissement des ondes plasma, lui-même contrôlant l’évolution ou le risque lié aux instabilités. De plus, la thèse permettra de confronter l’approche cinétique à des modèles multi-fluides sur des problèmes fondamentaux liés à l’hydrodynamique des cavités, comme la détente du plasma de la paroi d’or dans le plasma de cavité.

Déroulement : Un travail numérique et théorique est nécessaire avant son application à des expériences d’interaction laser-plasma et à la FCI. Le laboratoire d’accueil dispose d’un code cinétique ionique résolvant des équations du type Vlasov-Fokker-Planck, les électrons étant considérés comme un fluide neutralisant décrit par une équation de transport. Ce code est monodimensionnel en espace et bidimensionnel en vitesse. Il permet dans un premier temps de travailler sur les mécanismes d’amortissement des ondes ioniques en multi-espèces et avec prise en compte des collisions, ces ondes étant imposées en conditions initiales. Cet outil permet de répondre à des questions sur la composition du gaz de cavité pour la FCI et sur l’utilité de parois constituées de plusieurs éléments pour la réduction de la diffusion Brillouin. Dans un deuxième temps, plusieurs améliorations du code sont à envisager pour décrire de façon plus cohérente l’excitation des ondes ioniques en présence d’un laser de puissance avec une réponse hydrodynamique réaliste. Une première étape consisterait à prendre en compte la propagation du laser et une deuxième étape, plus ambitieuse mais ouvrant la voie à de nombreuses études de physique, serait de développer une version bidimensionnelle spatiale du code existant. Dans ce dernier cas, un travail numérique est nécessaire avec prise en compte du parallélisme. Au final, l’outil numérique permettra de tester à la fois la propagation laser dans un plasma multi-fluide et l’instabilité de diffusion Brillouin en multi-espèce avec un traitement complet des mécanismes cinétiques. Un couplage avec des électrons cinétiques sera éventuellement abordé en fin de thèse.

Directeur de thèse : Le laboratoire d’accueil CEA travaille en étroite collaboration avec le Centre de Physique Théorique (CNRS-Ecole Polytechnique) et dispose de nombreux contacts dans le domaine des plasmas chauds, en particulier avec le CELIA (CEA-CNRS-Université de Bordeaux I).

Contact CEA : Pascal LOISEAU - [email protected] CEA/DAM Ile-de-France - 01 69 26 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Optique, laser et plasmas

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72/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Sujet :

Optique ultrarapide et génération de sources THz et XUV Contexte : Les progrès technologiques récents ont rendu possible la production d'impulsions laser ultracourtes de forte puissance excédant le Térawatt (= 1012 W). Ces impulsions sont couramment employées dans les techniques de spectroscopie ultrarapide, les installations Lidar et le transport d'énergie sur de grandes distances. Produisant des phénomènes non-linéaires importants, elles sont aussi utilisées pour générer des harmoniques d'ordre élevé dans le domaine XUV par l'ionisation de gaz nobles et pour créer des impulsions attosecondes (1 as = 10-18 sec.). Par ailleurs, en couplant plusieurs ondes laser ultrabrèves opérant à des fréquences différentes, il est possible d’exciter les régions basses du spectre et créer ainsi des sources térahertz (THz). Parce que tout corps présente une signature THz qui lui est propre, l’exploitation de ce domaine spectral trouve des applications variées dans la mise au point de nouveaux systèmes d’identification et de spectroscopie fine résolue en temps. A l’autre extrémité du spectre électromagnétique, ce même schéma de couplage d’ondes permet de générer des sources de fréquences élevées et approchant le domaine des rayons X. Objectif : L'objet de cette thèse consistera à identifier théoriquement et numériquement les paramètres caractérisant la propagation non-linéaire d’impulsions laser femtosecondes couplées, qui sont susceptibles d’optimiser aussi bien la génération de sources térahertz que le rayonnement produit aux fréquences très supérieures à celle du champ optique. Une attention particulière sera portée à la création d’impulsions attosecondes par le couplage de deux ou plusieurs impulsions laser ultrabrèves. Déroulement de la thèse : Le candidat débutera son travail de thèse par une dérivation systématique des équations de propagation laser et se familiarisera avec les phénomènes non-linéaires mis en jeu, comme l’auto-focalisation Kerr et la génération de plasma par photo-ionisation. Il utilisera ensuite des codes numériques décrivant la propagation d’impulsions ultrabrèves dans tout milieu transparent, ainsi que la production de rayonnement térahertz (THz) et la conversion en fréquence par couplage d’ondes. Ses résultats originaux le conduiront à compléter ces codes. Le travail se concentrera ensuite sur les régimes de propagation à forte intensité laser permettant d’exciter de manière contrôlée les sources distinctes du spectre électromagnétique, du THz à l’XUV. La dernière année de ce travail sera consacrée à l’écriture d’articles scientifiques et à la rédaction du mémoire de thèse. Le doctorant bénéficiera d’un environnement privilégié en exploitant les machines de calcul massivement parallèles du CEA/DAM (Très Grand Centre de Calcul, projets nationaux GENCI et européens PRACE) et en participant activement à des collaborations avec des équipes extérieures (Instituts Max Born et Max Planck en Allemagne). Directeur de thèse : Luc Bergé - CEA/DAM Ile-de-France Ecole Doctorale : EDOM (« Ondes et Matière ») - Master Modélisation et Simulation. Contact : Luc Bergé - [email protected] CEA/DAM Ile-de-France - 01 69 26 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : Possibilité de Bourses EDOM - Thèse DGA - Projet FP7/ITN Marie Curie

Optique, laser et plasmas

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 73/130

Sujet :

Étude de la stabilité d'une onde plasma de grande amplitude et application à la saturation du Raman dans les conditions du laser MégaJoule Contexte :

Le sujet s’inscrit dans le contexte de la fusion contrôlée par confinement inertiel, qui consiste à faire imploser une bille de D-T cryogénique placée dans une cavité cylindrique (Hohlraum) à l’aide du rayonnement induit par un laser. Le Hohlraum est rempli d’un gaz tampon qui s’ionise très rapidement sous l’effet du champ laser, se transformant ainsi en un plasma qui est le siège d’interactions ondes-particules assez complexes. En particulier, une partie de l’énergie laser peut être rétrodiffusée à cause d’instabilités paramétriques, telles que la diffusion Raman stimulée qui donne naissance à une onde électrostatique de grande amplitude. Au-delà d'une certaine amplitude, à déterminer, cette onde électrostatique devient elle-même instable, ce qui donne lieu à la croissance de modes satellites brisant la cohérence du couplage à trois ondes à l'origine de la diffusion Raman stimulée, et pouvant ainsi limiter la rétrodiffusion Raman.

Ce sujet s’adresse à des étudiants particulièrement motivés par la théorie et attachés à comprendre des phénomènes physiques fins, se déroulant à l’échelle microscopique, pour les appliquer à des situations concrètes pertinentes à des installations de taille macroscopique, telles que le Laser MégaJoule.

Objectifs :

Le premier objectif de la thèse sera de déterminer un critère de stabilité pour une onde électrostatique de grande amplitude, qui soit suffisamment simple pour être implanté dans un code de propagation tri-dimensionnel. On utilisera alors, dans un deuxième temps, notre code de propagation pour faire des estimations quantitatives sur le niveau de réflectivité Raman.

Déroulement de la thèse :

Une routine, particulièrement précise et efficace, calculant la stabilité d'une onde électrostatique de grande amplitude, a été dernièrement mise au point dans notre laboratoire. Elle ne traite pour l'instant que le cas des ondes d'amplitude constante et uniforme. Il conviendra, dans un premier temps, d'étudier la pertinence de cette routine au cas d'une onde plasma générée par Raman et, éventuellement, de la généraliser.

Cet outil numérique servira à tester les prédictions d'un critère analytique, que l'on développera dans un deuxième temps, et qui devra être assez simple pour être implanté dans un code de propagation.

En utilisant un tel code on s'attachera, dans un dernier temps, à prédire le niveau de réflectivité Raman, que l'on comparera à celui calculé à partir de codes cinétiques ou mesuré expérimentalement.

Directeur de thèse : Didier Bénisti (CEA)

Contact : Didier Bénisti - [email protected] CEA/DAM Ile-de-France - 01 69 26 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Optique, laser et plasmas

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74/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Optique, lasers et plasmas

Sujet :

Étude des propriétés statistiques d’une tache focale laser lissée et de leur influence sur l’interaction laser-plasma

Contexte : Idéalement, la tache focale des lasers de puissance nanoseconde, comme le Laser MégaJoule (LMJ), devrait être parfaitement homogène. En pratique, c’est impossible à obtenir et elle est composée d’une figure de tavelure comportant de nombreux points chauds et froids. Pour donner l’illusion d’homogénéité, on déplace légèrement mais très rapidement la tache focale. Cette technique, nommée lissage, consiste à élargir le spectre des impulsions par une modulation de la phase et à focaliser les différentes composantes du spectre ainsi générées en différents endroits par un élément dispersif comme un réseau.

Objectif de la thèse : Jusqu’ici le principal critère communément utilisé pour caractériser la qualité du lissage était le contraste asymptotique, c’est-à-dire, le contraste spatial résiduel de la tache focale au bout d’un temps relativement long (quelques dizaines de picosecondes). Il s’avère que ce critère est insuffisant pour pouvoir comparer différentes techniques de lissage entre elles et ainsi faire des choix en fonction des expériences à réaliser. De nouvelles observables du champ optique, qui doivent mieux caractériser la qualité du lissage, ont donc été définies et d’autres encore pourraient l’être. L’objectif de cette thèse est triple : calculer ces observables pour différentes méthodes de lissage réalisables sur le LMJ, les mesurer et évaluer leur pertinence vis-à-vis de l’interaction laser-plasma.

Déroulement de la thèse : Avant le début de la thèse, certaines observables auront préalablement été calculées dans le cas d’un quadruplet de faisceaux, c’est-à-dire dans le cas de quatre faisceaux proches angulairement les uns des autres et ayant certaines similitudes.

Le premier objectif de la thèse sera de calculer les observables dans le cas de nombreux faisceaux présentant des angles importants entre eux, comme c’est le cas sur le LMJ. Cela nécessitera l’emploi d’un code permettant de calculer de tels champs optiques et il faudra développer des outils informatiques pour caractériser les propriétés statistiques de ces champs.

Parallèlement, pour atteindre le deuxième objectif, une expérience de mesure des observables dans un cas simple mais bien maîtrisé sera dimensionnée. Elle consistera à générer deux faisceaux de faible énergie à l’aide d’une puis de deux sources fibrées puis à caractériser une partie de la tache focale obtenue avec ces deux sources pendant un bref instant à l’aide d’une autre source laser générant des impulsions beaucoup plus courtes. On obtiendra ainsi une image de la tache focale intégrée sur la durée des impulsions courtes. Les résultats expérimentaux seront comparés aux simulations numériques.

Finalement, des calculs de propagation dans différents plasmas seront menés, à l'aide du code paraxial 3D HERA de la DIF, avec des champs optiques présentant des caractéristiques différentes. La pertinence des observables définies sera évaluée, en vérifiant entre autres, si deux lissages différents mais partageant les mêmes valeurs des observables aboutissent à des propagations semblables dans le plasma. Les résultats attendus constituent un enjeu majeur des études d’atteinte de l’ignition avec le LMJ car ils sont directement liés à des échanges d'énergie entre faisceaux et donc à la symétrie de l'irradiation laser de la cible.

Cette thèse se déroulera principalement au CESTA, près de Bordeaux mais des déplacements de longues durées sont prévus à DAM/DIF près de Paris pour atteindre le troisième objectif.

Directeur de thèse et école doctorale : Université Bordeaux 1

Contact : D. Penninckx - [email protected] CEA/CESTA - 05-57-04-40-00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 75/130

Optique, lasers et plasmas

Sujet :

Conception et fabrication de fibres microstructurées pour mise en forme spatiale fibrée

Contexte :

Depuis deux décennies, les fibres à cristal photonique n'ont cessé de révolutionner le domaine de la photonique. Les exemples les plus connus sont la génération de supercontinuum (laser blanc), ainsi que le confinement efficace de la lumière dans un cœur creux. Ces fibres sont également de bons candidats pour la génération et le transport de fortes puissances lumineuses (fibres à grande aire effective). La conception de fibres à grande aire effective et monomodes, conditions nécessaires pour préserver la qualité de faisceau, reste cependant un défi à relever. En effet, l’augmentation d’aire effective se traduit notamment par l’apparition de modes guidés d’ordre supérieur qui nuisent à la qualité du faisceau. Une autre façon d’accroître la quantité d’énergie transportée par un mode est de modifier son profil d’intensité transverse. Un profil type « plat » plutôt que « gaussien » permet d’augmenter significativement l’énergie transportée. De plus, de telles fibres constituent une alternative compacte et robuste aux solutions de mise en forme spatiale utilisées actuellement dans les pilotes laser du laser MegaJoule (CEA) où des profils plats sont générés pour injecter les chaînes amplificatrices.

Objectif de la thèse :

Le travail proposé concerne la conception de fibres microstructurées permettant de convertir un mode gaussien en un faisceau de profil transverse plat.

Déroulement de la thèse :

Plusieurs voies de travail seront explorées :

- la fibre supporte directement un mode fondamental aplati : des solutions utilisant des fibres microstructurées air/silice, des fibres hybrides seront envisagées.

- le mode qui s’établit dans la fibre se transforme en champ lointain en faisceau de structure transverse d’intensité plate.

Un travail concernant les fibres à maintien de polarisation sera également entrepris.

Les fibres développées dans le cadre de l’étude théorique seront ensuite réalisées grâce à la centrale technologique de l’institut IRCICA (Université Lille). Une dernière partie du travail sera dédiée à la caractérisation de ces fibres et leur test dans des lasers pilotes fibrés développés pour le laser MégaJoule.

Le (la) candidat(e) pourra s’appuyer sur les connaissances développées par l’équipe photonique du PhLAM (Université Lille) et par l'équipe LOE du CEA/CESTA que ce soit en termes de fabrication, de calcul numérique et de caractérisation expérimentale.

Directeur de thèse et école doctorale : Yves QUIQUEMPOIS et Constance VALENTIN Sciences de la Matière, du Rayonnement et de l’Environnement, Université des Sciences et Technologies de Lille

Contact : Emmanuel HUGONNOT - [email protected] CEA/CESTA - 05 57 04 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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76/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Optique, Laser et plasmas

Sujet :

Étude des plasmas denses par interférométrie fréquentielle : Dynamique électronique et détente hydrodynamique Contexte : L'interférométrie dans le domaine de Fourier (FDI) [1] permet de mesurer les modifications de phase et d'amplitude d'une onde se réfléchissant sur une surface ou traversant un milieu avec une très bonne résolution spatiale et temporelle. Cette mesure est sensible à la fonction diélectrique du matériau et à son évolution hydrodynamique. Les données FDI apportent donc un certain nombre d'informations résolues en temps sur la densité électronique, la fréquence de collision électronique et la polarisabilité électronique. Enfin la comparaison de ce diagnostic avec un code hydrodynamique permet de contraindre les principaux paramètres guidant la détente hydrodynamique tels que la température, l'équation d'état et les coefficients de transport. La matière dense et tiède (WDM pour Warm Dense Matter) se rencontre notamment pendant la phase de compression d’une cible de fusion par confinement inertiel [2], dans la plupart des planètes et dans les étoiles naines [3], lors de l'usinage par laser ou de l’endommagement des optiques d’un laser de puissance de type LMJ ou PETAL. La matière WDM est sous forme de plasma fortement corrélé avec une température électronique proche de la température de Fermi. Elle se situe à la frontière entre le solide et le plasma idéal, en dehors des limites de validité des modèles bien établis qui décrivent chacun de ces états. C'est pourquoi il y a un réel besoin de données expérimentales sur ce régime afin de les confronter aux théories ou simulations existantes ou en développement [4].

Objectif de la thèse : Nous disposons au laboratoire d'une installation permettant de porter un échantillon solide dans le régime WDM en le chauffant avec un laser ultra court, et d'un interféromètre FDI avec une résolution temporelle de 30 femtosecondes [5]. L'objectif de la thèse est de réaliser et interpréter des expériences dans le domaine des transitions de phase solide-WDM, en partant de solides ayant des propriétés électroniques très différentes : métaux simples, nobles et de transition, semiconducteurs, et diélectriques. Plus précisément, ces études s'inscrivent dans les problématiques de la fusion non thermique des matériaux [6], de la valeur de la conductivité électrique dans le régime WDM et de la dynamique d'excitation et de relaxation des porteurs libres lors de l'endommagement des diélectriques. Nous envisageons également d'utiliser le diagnostic lors d'une expérience de chauffage par le faisceau d'un laser X à électrons libres (XFEL), comme nous l'avons fait de façon encourageante au sein d'une collaboration internationale [7]. La mesure de l'hydrodynamique d'une cible permet de mieux connaître les processus par lesquels l'énergie des rayons X absorbés est transmise aux ions dans le domaine encore relativement vierge des XFEL.

Déroulement de la thèse : Les expériences se feront essentiellement sur les installations laser du CELIA qui permettent de déclencher des transitions de phase solide-plasma hors équilibre et d'adapter et tester le diagnostic en vue de son utilisation sur des installations de plus grande taille. Des expériences pourront ponctuellement être menées sur des lasers plus énergétiques (LULI, TITAN) ou des FEL (LCLS, FLASH). L'interprétation théorique se fera en collaboration avec d'autres chercheurs à l'intérieur ou l'extérieur du laboratoire. Des bases en physique expérimentale, physique des plasmas, optique, physique de la matière condensée et programmation sont souhaitables. [1] J.P. Geindre et al., Optics Letters 19 1997 (1994). [2] D. Galmiche et al., Jpn. J. Appl. Phys. 35 (1996), 4516. [3] L. Bildstein et al., Astrophys. Journ. 549 (2001), L219. [4] J. Clérouin et al., Phys. Rev. B 71, 064203 (2005); D. Fisher et al., Phys. Rev. E 65, 016409 (2001). [5] F. Deneuville et al., soumis à Appl. Phys. Lett. [6] V. Recoules et al., Phys. Rev. Lett. 96, 055503 (2006); C.W. Siders et al., Science 286, 1340 (1999). [7] A. Levy et al., International Conférence on Inertial Fusion Science and Applications (IFSA 2011). Directeur de thèse et école doctorale : Olivier Peyrusse, CELIA École doctorale des Sciences Physiques et de l'Ingénieur Université de Bordeaux

Contact : Claude Fourment [email protected] Référence INSTN : SL-DAM-13- Cofinancement : Région Aquitaine

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 77/130

Optique, Laser et plasmas

Sujet :

Développement, fabrication et caractérisation de nouveaux réseaux de diffraction pour la compression d’impulsions courtes ultra intenses

Contexte : Les impulsions lasers produites par des chaînes de puissances comme le projet PETAL, HIPER, ou encore ELI utilisent la technique d’amplification appelée « Chirped Pulse Amplification », où l’impulsion est étirée à partir d’un système dispersif afin de diminuer sa puissance crête, avant d’être amplifiée dans un milieu solide, comme un verre dopé néodyme ou un cristal de Titane : Saphir. L’impulsion amplifiée doit ensuite être compressée à l’aide d’un milieu dispersif. Les réseaux de diffraction sont utilisés pour cette dernière étape car ils présentent un pouvoir dispersif important, et peuvent travailler en réflexion, ce qui garantit une bonne qualité du front d’onde. Mais des problèmes d’endommagement laser interviennent lors de cette étape de compression, limitant ainsi la puissance des chaînes laser actuelles.

Objectif et déroulement de la thèse : L’objectif de cette thèse est de développer des designs originaux de réseaux de diffraction capables d’élever encore leurs seuils d’endommagement. La première partie de cette thèse se déroulera à l’Institut Fresnel (Aix Marseille Université, CNRS, Ecole Centrale Marseille) dans l’équipe Clarté, équipe spécialisée dans la modélisation électromagnétique de composants photoniques périodiques.

L’étudiant devra tout d’abord acquérir des connaissances dans les méthodes numériques avant de développer des codes numériques propriétaires. En particulier, il réalisera un code capable de modéliser la diffraction de la lumière d’un réseau déposé sur un matériau dont l’indice évolue continûment. L’objectif de cette étude sera de minimiser le renforcement de l’intensité lumineuse de la lumière incidente à l’intérieur du réseau. En outre, le code devra intégrer une optimisation des proportions du mélange de diélectriques dans le but d’adapter cette proportion au champ de la couche considérée afin d’en minimiser le champ.

Une seconde voie de recherche sera abordée par le développement de réseaux de diffraction éclairés en polarisation Transverse Magnétique (TM). L’attention des différents groupes de recherche s’est focalisée depuis le milieu des années 1990 sur les réseaux diélectriques éclairés en polarisation Transverse Electrique (TE), essentiellement parce qu’un empilement diélectrique présente une meilleure réflectivité en TE. Mais la technologie des réseaux mixtes or-diélectrique ouvre la voie au développement de réseaux de diffraction optimisés en TM, puisque la réflectivité n’est maintenant plus conditionnée par un grand nombre de couches diélectriques.

La seconde partie de sa thèse se déroulera au CEA CESTA où est actuellement assemblée la chaîne laser PETAL. Cette chaîne est en cours d’installation dans le bâtiment du Laser MégaJoule pour être couplée à des faisceaux nanosecondes du LMJ. Elle délivrera dès 2015 des impulsions d’une durée de 500 fs dont la puissance atteindra plusieurs PW. Le doctorant travaillera à la fabrication des différents designs élaborés lors de la première partie de ses travaux. Ces opérations seront sous traitées à divers fabricants et instituts de recherche français ou étrangers avec lesquels le laboratoire travaille d’ores et déjà. Le doctorant devra également mettre à profit les divers moyens de caractérisation et en particulier un banc de test d’endommagement laser. Il devra associer ces mesures avec les profils des différents réseaux obtenus par un microscope à force atomique. Il analysera également la morphologie et la localisation des endommagements avec un microscope à balayage électronique en utilisant notamment les moyens en place à l’Université de Bordeaux.

Directeur de thèse et école doctorale : Nicolas Bonod, Institut Fresnel, équipe CLARTE Université Saint Jérôme, Marseille

Contact : J. Neauport - CEA/CESTA – [email protected]

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : ANR

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78/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 79/130

   

PPhhyyssiiqquuee ddee llaa MMaattiièèrree CCoonnddeennssééee

   

CESTA

Le RIPAULT VALDUC

ILE DE FRANCE

GRAMAT

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80/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

   

Sujet :

Etude des premiers stades de l’oxydation des surfaces d’actinides : rôle des corrélations électroniques

Contexte : La série des actinides montre une grande richesse de comportements électroniques et structuraux. Cette série peut être schématiquement coupée en deux avec les actinides légers, d'une part, qui présentent peu ou pas de corrélations électroniques (électrons f délocalisés), et, d'autre part, les actinides lourds pour lesquels celles-ci sont importantes (électrons f localisés). Ce passage d'un caractère itinérant à localiser des électrons f a une influence significative sur les propriétés structurales de ces métaux.

Nous disposons aujourd'hui d'un code de calcul de structure électronique, ABINIT, dans lequel nous avons développé des méthodes capables de rendre compte de ces différents comportements : PBE0, LSDA+U, DMFT... Une parallélisation originale a aussi été récemment mise en œuvre dans le cadre de ce code permettant de profiter efficacement des capacités des supercalculateurs disponibles à la Direction des applications militaires tels que TERA et le CCRT.

Nous proposons, dans le cadre de cette thèse, d'étudier l'influence des corrélations électroniques sur la réactivité des surfaces d'actinide. Au moyen de calculs ab initio, le candidat s'intéressera en particulier aux premiers stades de l'oxydation. Dans le même temps une systématique sera à envisager pour déterminer l'influence de ces corrélations sur les propriétés structurales et électroniques des oxydes d'actinides massifs. Celles-ci jouent, par exemple, un rôle important dans UO2 alors qu'elles n'apparaissent pas dans le métal. Les causes de ce comportement restent un sujet ouvert et nécessitent un effort théorique conjugué à la simulation.

Objectif : Nous avons récemment étudié les oxydes de plutonium PuO2 et Pu2O3 aux moyens de ces méthodes et nous proposons, dans le cadre de cette thèse, d'étudier l'influence des corrélations électroniques le long de la série des oxydes d'actinides légers (de ThO2 jusqu’à AmO2). Le candidat pourra mettre en œuvre les méthodes énoncées ci-dessus et s'attachera à discuter leur efficacité. L'évolution des propriétés magnétiques (ferro, antiferro ou paramagnétique) le long de la série sera aussi envisagée.

Ce travail de thèse se poursuivra par l'étude de l’influence des corrélations électroniques sur la réactivité des surfaces d'actinides, et en particulier d’oxydes d’actinides massifs. Le travail fourni, faisant appel à des calculs ab initio, permettra de répondre à de nombreuses questions qui sont aujourd'hui discutées : réactivité de surface exacerbée en fonction du changement de degré d'oxydation de l'actinide présent en surface ainsi que la stabilisation de ces surfaces en fonction de l'environnement thermodynamique extérieur.

Une forte compétence en physique du solide est requise tant au niveau théorique qu'au niveau matériaux. Un goût pour la programmation serait souhaitable dans le cadre de cette étude.

Ce travail aura de nombreuses retombées dans l’industrie du nucléaire civil et donnera lieu à des collaborations.

Directeur de thèse : F. JOLLET (CEA/DAM Ile-de-France)

Contact : François BOTTIN – franç[email protected] CEA/DAM Ile-de-France - 01 69 26 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Physique de la matière condensée Physique de la matière condensée

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 81/130

Sujet :

Modélisation de la propagation des ondes de choc dans des mousses aqueuses Exposé du sujet : Les mousses sont un empilement de bulles de gaz, emprisonnées par des structures liquides [1] ou solides. Elles présentent plusieurs intérêts pour l’industrie : isolation thermique ou acoustique, décontamination de structures complexes... Dans un contexte de défense, elles sont utilisées pour atténuer les ondes de souffle générées à la suite d’explosions. C’est un moyen de confinement simple à mettre en œuvre par les équipes d’intervention. De plus, dans le cas d’explosifs hétérogènes, elles peuvent être utilisées pour piéger les particules inhalables potentiellement toxiques pour la santé. Plusieurs mécanismes physiques sont à l’origine du processus d’atténuation. En effet, dans le cadre de fortes surpressions, la structure liquide et le gaz constituant la mousse sont soumis à de fortes accélérations. De par leurs différences d’inertie, la phase liquide glisse sur la phase gazeuse ce qui conduit à un effondrement plus ou moins rapide de la mousse pour former un spray en aval de l’onde de choc. Des travaux expérimentaux et de modélisation [2-4] ont montré que ces évolutions topologiques étaient très importantes. Les transferts de quantité de mouvement et les échanges thermiques permettent alors d’atténuer fortement les pics de surpression observés. Cependant, la mousse a été mise en mouvement. La pression dynamique du liquide ne peut plus être négligée. Ainsi, l’interaction d’une onde de choc qui se propage dans un milieu diphasique clos par une paroi engendre dans certaines configurations des niveaux de surpressions encore trop élevés pour être considérés comme acceptables, comme le laissaient présager les travaux cités en [5-7]. L’objectif est de connaître le comportement de la mousse quand elle est traversée une première fois puis une seconde fois par une onde de choc après réflexion de l’onde sur une paroi (par exemple le sol ou un mur) et le devenir des particules inhalables qui y sont piégées. Pour s’approprier le sujet, le thésard débutera son travail par une recherche bibliographique. Son travail s’articulera ensuite autour de deux volets, qu’il développera en parallèle : l’un expérimental, l’amènera à concevoir et à proposer des expériences pertinentes dont il extraira les données utiles à la bonne compréhension des phénomènes en jeu ; l’autre théorique et numérique où il s’attachera à modéliser la physique sous jacente. Dans ce cadre, il sera amené à traiter les chocs se propageant dans un milieu diphasique bidimensionnel [8-9]. Le travail sera réalisé au sein du CEA/DAM dans le cadre d'un vaste projet lié à la sécurité Nationale. Résultats attendus : Pouvoir quantifier la part respective des différents phénomènes de transferts entre phases dans le processus d’atténuation dans le cadre bidimensionnel. Ce sujet fait suite à des travaux de thèse en cours [2]. Programme de la thèse (36 mois) : - Etude bibliographique. - Analyse des résultats expérimentaux en relation avec le domaine (ex. tube à choc, autre…). - Définition des configurations expérimentales bidimensionnelles pertinentes vis-à-vis de la propagation des chocs

dans la mousse aqueuse et de la capture des particules. - Modélisation des configurations bidimensionnelles associées : sphérique, cylindrique. - Réalisation et interprétation des expérimentations retenues. - Rédaction article. - Rédaction du manuscrit de thèse. Moyens utilisés : tubes à choc, champs de tir du centre CEA/Gramat Références bibliographiques : [1] Cantat et al., Les Mousses : structure et dynamique, éditions Belin, 2010. [2] E. Del Prete, Modélisation de l’interaction des ondes de choc avec les mousses aqueuses, Thèse prévue fin 2012. [3] E. Del Prete et al, Modeling of aqueous foam blast wave attenuation, E.P.J. Web of Conferences, vol. 10, 2010 [4] E. Del Prete et al, Blast wave mitigation by dry aqueous foams, Shock Waves, in preparation. [5] Baer M.R., A numerical study of shock wave reflections on low density foam, Shock Waves Journal, 1992, 121-124 [6] Kitagawa K. et al, Attenuation of shock waves propagating in polyurethane foams, Shock Waves, 2006, 15:437-445 [7] Seitz M.W. and Skews B.W., Effect of compressible foam properties on pressure amplification during shock wave impact, Shock Waves, 2006, 15:177-197 [8] Chinnayya A. et al., Journal of Computational Physics, Vol. 196, 2004, pp. 490-538 [9] Omang M. et al, Height of burst explosions: a comparative study of numerical and experimental results, Shock Waves, 2009, 19:135-143 Directeur de thèse et école doctorale : Abdellah Hadjadj - [email protected] - CORIA - 02 32 95 97 94 Contact : Denis Counilh - [email protected] CEA/DAM Ile-de-France - 01 69 26 40 00 Référence INSTN : SL-DAM-13-

Physique de la matière condensée

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82/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Physique de la matière condensée

Sujet :

Dynamique moléculaire magnétique des matériaux ferrimagnétiques

Contexte : L’effet magnéto-optique est un mécanisme physique bien connu et industrialisé dans les années 80. Il consiste à écrire et lire un bit sur une surface magnétique à l’aide d’un laser et d’une tête de lecture magnétique. Malheureusement, ce procédé est lent et s’accommode mal de l’augmentation de la densité d’information magnétique actuelle. En effet, en chauffant la surface par le laser au-delà de la température de Curie du matériau magnétique, la diffusion thermique résultante modifie aussi la nature des données adjacentes. Une percée récente a été faite par l’emploi de lasers ultra brefs irradiants des surfaces ferrimagnétiques et pourrait relancer l’adoption de ce type de technologie qui présente l’avantage d’une robustesse exceptionnelle du stockage dans le temps. Ainsi, modéliser la dynamique moléculaire magnétique ultra-brève appliquée à des matériaux ferrimagnétiques devient un enjeu technologique et industriel majeur.

Objectif du sujet de thèse : Le laboratoire des matériaux magnétiques et optiques du CEA/Le Ripault synthétise, caractérise et modélise des matériaux à propriétés magnétiques et diélectriques originales. Conjointement, le Laboratoire de Mathématiques et Physique Théorique dispose d’une compétence unique dans la simulation des systèmes dynamiques magnétiques et mécaniques hors-équilibres. Ainsi, l’objectif de cette thèse vise à poursuivre le développement d’un code original développé dans nos laboratoires couplant la dynamique moléculaire à la dynamique de spin en y incorporant de nouveaux ingrédients essentiels à la modélisation des phénomènes physiques envisagés. Le/la candidat(e) retenu(e) validera son outil sur des cas simples et s’appuiera sur les machines massivement parallèles uniques dont dispose le CEA pour ses développements.

Déroulement de la thèse : Prise en charge du code numérique, choix des modèles physiques, implantation logicielle, validation et comparaison avec des cas simples et des expériences.

Compétences souhaitées : De solides compétences en physique de l’état condensé avec une option en magnétisme, physique statistique ou mécanique quantique. Un goût marqué pour l’analyse numérique ainsi que l’algorithmique parallèle dans des environnements hétérogènes CPU/GPU serait un plus.

Directeur de thèse et école doctorale : Pr. Stam Nicolis LMPT, Fondation Denis Poisson, Université de Tours

Contact : Dr. Pascal Thibaudeau - [email protected] CEA/Le Ripault – 02.47.34.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : Région Centre

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 83/130

Physique de la matière condensée

Sujet :

Amorçage en détonation des explosifs fortement hétérogènes de type coulé fondu : établissement de corrélations entre la microstructure et la réactivité Contexte : La littérature dans le domaine de la détonique se focalise majoritairement sur l’amorçage en détonation des explosifs à usage nucléaire, sans pour autant permettre une compréhension exhaustive des mécanismes. L’étude des explosifs du domaine conventionnel est plus complexe encore, de par l’existence de différentes familles de compositions explosives dont le comportement détonique peut être très différent : détonation quasi-idéale, détonation non idéale, détonation fortement non idéale. Il est également à noter des différences dans leur mode d’amorçage du fait de l’absence de porosité et de la présence de fortes hétérogénéités comme, par exemple, la présence de particules métalliques d’impédance acoustique plus élevée que celle des autres constituants. Les modèles utilisés aujourd’hui sont totalement empiriques (majoritairement « Ignition and Growth » développé par le Lawrence Livermore National Laboratory), avec un domaine d’applicabilité restreint. Pour étendre leur domaine d’application, il est nécessaire de comprendre les mécanismes d’amorçage et de les modéliser. Une analyse bibliographique montre qu’il existe peu d’études destinées à comprendre les mécanismes d’amorçage dans les explosifs fortement hétérogènes de type composite et coulés fondus. Si tous les scientifiques du domaine s’accordent sur la réalité physique de points chauds, deux questions se posent : Comment sont-ils générés, surtout sans la présence de porosité ? Quels sont les paramètres microstructuraux influents ?

Objectif de la thèse : L’objectif de cette thèse est d’accéder à une meilleure compréhension des mécanismes d’amorçage dans les explosifs fortement hétérogènes en l’absence de porosité, afin d’identifier les limites des modèles actuels et d’étendre leur domaine d’applicabilité.

Déroulement de la thèse : Trois aspects importants sont à considérer : il faut étudier les mécanismes d’amorçage à la méso-échelle en présence d’hétérogénéités maîtrisées dans les explosifs ; il faut ensuite considérer l’amorçage par choc et la transition à la détonation ; il importe de travailler sur des explosifs écoles facilement modélisables (deux constituants bien caractérisés, avec et sans présence de particules inertes d’impédances acoustiques différentes pour pouvoir utiliser des approches de simulation multiphasique et directe. Il vient à l’esprit des compositions coulées fondues à base de TNT (rinitrotoluène) servant de liant fusible, de particules réactives (hexogène et/ou oxynitrotriazole), et de particules non réactives sphériques, de taille connue et de comportement mécanique simple comme l’alumine qui présente un comportement élastique jusqu’à des pressions élevées et le fluorure de lithium d’impédance acoustique très proche de l’aluminium utilisé dans les explosifs industriels. Il est envisagé des expérimentations les plus pures possibles d’impacts plans, en régime d’amorçage, avec une instrumentation non intrusive comme la Radio Interférométrie et l’Interférométrie de Déplacement Fibrée, la visualisation par caméra rapide. L’objectif est de rechercher l’influence respective des différences d’impédance de choc, de la taille des particules et de leur quantité sur les mécanismes d’amorçage sur des explosifs écoles, représentatifs de ceux développés par NEXTER Munitions. Le CEA/Gramat disposant de codes de calcul d’hydrodynamique rapide (OURANOS, CHYMERE), il est possible de réaliser des simulations numériques hautes performances multiphasiques et directes pour aider à la compréhension des mécanismes. La disponibilité d’un microtomographe au CEA/Gramat permet de renseigner la microstructure, puis de la modéliser. Le Laboratoire de Physique des Explosifs du CEA/Gramat est équipé de lanceurs à gaz et à poudre permettant de générer des impacts calibrés sur des explosifs très instrumentés. Quant à NEXTER Munition, il possède la capacité de formuler des explosifs écoles et d’effectuer des caractérisations en laboratoire. Les principales tâches de la thèse sont les suivantes : (1) réaliser une étude bibliographique exhaustive sur l’amorçage des explosifs fortement hétérogènes à usage conventionnel ; (2) faire un choix de matériaux énergétiques écoles, effectuer les caractérisations nécessaires dont leurs microstructures par microtomographie ; (3) élaborer un programme d’expérimentations destiné à identifier les paramètres influents ; (4) mener une étude expérimentale de l’amorçage par choc de ces compositions écoles dans des configurations de laboratoire ; (5) reproduire par simulation numérique multiphasique et directe les résultats de certaines expériences ; (6) proposer des solutions de modélisation et élaborer un cahier des charges pour la réalisation d’un modèle physique utilisable dans un code d’hydrodynamique comme OURANOS.

Directeur de thèse et école doctorale : Laurent Catoire – ENSTA

Contact : Gérard Baudin – CEA/Gramat - 05 65 10.54.32

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : NEXTER Munitions Bourges

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84/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 85/130

PPhhyyssiiqquuee NNuuccllééaaiirree

CESTA

Le RIPAULT VALDUC

ILE DE FRANCE

GRAMAT

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86/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

 

Sujet :

Description du noyau et de ses états excités, synthèse d'approches au-delà du champ moyen Contexte : La compréhension de la structure nucléaire bénéficie de la comparaison théorie-expérience. Des observables telles l’énergie de liaison (défaut de masse) ou les déformations intrinsèques du noyau dans son état fondamental sont accessibles théoriquement par des méthodes microscopiques fondées sur l’approximation de champ moyen. En revanche, la reproduction des états excités, i.e. leurs énergies d’excitation et leurs décroissances, nécessite d’aller au-delà de cette approximation. A partir de calculs microscopiques de champ moyen, il existe deux types d'approches pour décrire les états excités nucléaires : la GCM (méthode des coordonnées généralisées) et la QRPA (quasiparticle random phase approximation). Ces deux approches diffèrent par le choix des hypothèses, néanmoins elles restent complémentaires. Suivant le système nucléaire étudié, on est souvent contraint de choisir entre les deux descriptions. Parfois aucune des deux ne fournit de résultats satisfaisants du point de vue comparaison expérience/théorie.

Objectif de la thèse : Un modèle théorique capable de décrire tous les états excités de tous les noyaux avec la même qualité est un but difficile à atteindre. Une synthèse des deux approches précitées serait une avancée majeure vers un modèle unifié.

Déroulement de la thèse : Dans un premier temps, il convient de bien déterminer les domaines de validité de chaque approche et de comparer qualitativement les résultats obtenus par chacune d'elles pour des systèmes nucléaires répondant aux deux critères de validité. Puis, il est envisageable, en symétrie axiale, de calculer exactement par l’une des méthodes (QRPA) des ingrédients essentiels à la seconde : les paramètres d’inertie vibrationnels nécessaires la GCM lorsque l’approximation de l’overlap gaussien (GOA) conduit à la résolution d’un Hamiltonien de type Hamiltonien de Bohr. Ces paramètres sont actuellement calculés avec l’approximation du cranking. Le sujet présente différents aspects : le développement d’un formalisme, l’application numérique et la comparaison des résultats avec les données expérimentales. Ceci inclut l’analyse de la convergence des paramètres d’inertie et une évaluation des différences entre le calcul exact et les formules utilisées jusqu'à présent. L’introduction des valeurs exactes aura un impact sur le calcul des états collectifs, cet impact devra être quantifié. Les premières applications traiteront des effets de couches dans les noyaux exotiques légers, un problème fondamental de la physique nucléaire moderne. Ces résultats constitueront un support théorique majeur des futures expériences qui seront faites au GANIL (grand accélérateur national d’ions lourds). Les importants moyens de calculs mis à disposition permettent d’envisager l’application de cette méthode à des noyaux de plus en plus lourds jusqu’aux systèmes fissionnants. L’étudiant sera encouragé à interagir avec les physiciens de la communauté et à présenter ses travaux lors de séminaires, ateliers et conférences.

Directeur de thèse : Héloïse Goutte, GANIL

Contact : Sophie PERU-DESENFANTS CEA/DAM Ile-de-France - 01 69 26 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Physique nucléaire

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 87/130

SScciieennccee ddeess mmaattéérriiaauuxx

CESTA

Le RIPAULT VALDUC

ILE DE FRANCE

GRAMAT

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88/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Sujet :

Calcul de la tension de surface de systèmes métalliques liquides par simulation microscopique

Exposé du sujet :

Un système liquide arrive à se maintenir en équilibre avec son environnement extérieur (liquide, gaz ou vide) en raison de l’existence d’une force à l’interface entre les deux milieux, appelée tension interfaciale ou tension de surface. La caractérisation de cette force, en particulier sa dépendance à la température, à la pression et à la courbure de l’interface, est cruciale pour comprendre et restituer le comportement expérimental de systèmes organiques et/ou métalliques. Les méthodes de calcul de tension de surface les plus courantes sont basées sur des simulations à l’échelle atomique et/ou moléculaire : le matériau est alors décrit au moyen d’un potentiel interatomique spécifique et adapté pour restituer ses différentes propriétés. Les nombreux travaux entrepris depuis une dizaine d’années sur ce sujet montrent que le calcul de tensions de surface dans le cas d’interfaces planes est bien maîtrisé, notamment dans le cas de l’eau, des alcanes légers et du CO2, ainsi que dans le cas des systèmes binaires correspondants. Ces travaux montrent en particulier une forte dépendance du calcul aux effets de tailles, de troncature du potentiel et de la force et aux effets de corrections à longue distance du potentiel. En s’appuyant sur ces résultats récemment acquis, le CEA/DAM propose dans cette thèse, en collaboration avec l’Université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand et l’Université de Rennes, d’élargir le calcul de la tension interfaciale à des systèmes métalliques liquides (cuivre, étain), dans le vide ou à l’équilibre avec un gaz, et présentant une interface de courbure quelconque. Déroulement de la thèse :

Dans un premier temps, le calcul de la tension de surface d’un système métallique liquide présentant une interface plane sera effectué à l’aide des différentes méthodes disponibles dans la littérature [1]. Dans un second temps, l’application de ces méthodes à des systèmes de taille finie, donc présentant une interface non plane, sera effectuée. Des développements méthodologiques sont à envisager puisque les méthodes de calcul de tension de surface de systèmes sphériques ne sont pas encore complètement établies [2]. En outre, ces travaux pourront bénéficier des moyens de calculs importants du CEA/DAM, en particulier le calculateur massivement parallèle TERA 100 (un des plus puissants d’Europe), qui nous permettra de simuler des systèmes de taille finie allant de quelques dizaines à plusieurs millions d’atomes. L’ensemble de ces travaux devrait nous permettre d’établir une loi d’évolution continue de la tension de surface des systèmes métalliques liquides de l’échelle microscopique (interface sphérique) à l’échelle macroscopique (interface plane). Enfin, suivant l’état d’avancement des travaux, un modèle simple liant la tension de surface à la courbure locale pourra être mis au point, puis implanté dans un code de simulation hydrodynamique dans le but d’effectuer des simulations à l’échelle macroscopique de la fragmentation d’un jet. Une validation expérimentale pourra également être envisagée au moyen d’expériences reposant sur l’utilisation d’un laser impulsionnel puissant capable d’initier des jets de matières dans des systèmes métalliques classiques tels que l’étain. [1] J. G. Kirkwood, F. P. Buff, J. Chem. Phys. 17, 338 (1949) – J. H. Irving, J. G. Kirkwood, J. Chem. Phys. 18, 817 (1950) – G. J . Gloor, G. Jackson, F. J. Blas, E. de Miguel, J. Chem. Phys. 123,134703 (2005) – A. Ghoufi, F. Goujon, V. Lachet, P. Malfreyt, Phys. Rev. E 77, 031601 (2008) [2] A. Ghoufi, P. Malfreyt, J. Chem. Phys. 135, 104105 (2011)

Directeur de thèse et école doctorale : Patrice Malfreyt - [email protected] Université Blaise Pascal (Clermont Ferrand II) 04 73 40 72 04

Contact : Emeric Bourasseau - [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01.69.26.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Science des matériaux

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 89/130

Science des matériaux  

Sujet :

Systèmes adhésifs époxy pour assemblages structuraux d’expériences d’interaction laser-matière

Contexte : Chaque tir laser sur l’installation LMJ requiert une multitude de cibles différentes, composées d’un grand nombre d’éléments de petites dimensions, assemblés à l’aide d’adhésifs structuraux de type époxy. Lors de leurs mises en œuvre, ces cibles sont soumises à d’importantes sollicitations mécaniques et thermiques, les assemblages étant notamment utilisés sous diverses pressions et températures variant de 20K à l’ambiante. Afin de permettre le bon déroulement des expériences, il est donc primordial de garantir l’intégrité de ces ensembles collés tant au niveau de leur étanchéité que de leurs caractéristiques géométriques.

A l’heure actuelle, ces cibles sont réalisées à l’aide d’adhésifs commerciaux de type « époxy » dont la formulation reste mal maitrisée et dont la pérennité d’approvisionnement n’est pas garantie. De plus, et bien que ces adhésifs permettent la réalisation d’assemblages structuraux, les résultats obtenus présentent une grande dispersion dans la reproductibilité des collages réalisés.

Objectif de la thèse : A partir de l’analyse physico-chimique des solutions d’adhésifs et des assemblages actuellement utilisés, l’objectif de ce travail de doctorat consistera à définir et développer une formulation adéquate d’un adhésif structural permettant de garantir l’intégrité et la durabilité des cibles d’interaction laser-matière. Bien que ce sujet porte sur une problématique spécifique liée à la fabrication de cibles à gain destinées aux expériences de fusion par confinement inertiel, il est à noter que ce thème est tout aussi porteur pour des applications nécessitant de garantir une fiabilité très élevée des assemblages collés, notamment en aéronautique, aérospatiale ou encore dans les thématiques de défense.

Déroulement de la thèse :

Etape 1 - Analyse des caractéristiques des systèmes adhésifs existants (systèmes adhésifs de Génération 0) au regard du cahier des charges auquel ils doivent répondre. Identification des paramètres matériaux permettant de maîtriser le comportement des adhésifs à très basse température (20°K).

Etape 2 - Développement d’un système adhésif réactif répondant au cahier des charges défini en termes de comportements physiques mais aussi de conditions d’application (mise en contact, polymérisation, type de substrats, robustesse du procédé de collage dans son ensemble)(systèmes adhésifs de Génération 1).

Etape 3 - Intégration dans la formulation de fonctionnalités supplémentaires pour répondre à des cahiers des charges spécifiques et/ou à une réponse à toutes les situations de collage rencontrées par le CEA/Valduc pour les cibles (systèmes adhésifs de Génération 2).

Directeur de thèse et école doctorale : J.F.GERARD – INSA Lyon UMR CNRS 5627

Contact : SALAS Jean Félix – CADRA Stéphane - [email protected] CEA/Le Ripault – 02.47.34.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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90/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Science des matériaux

Sujet :

Etude des mécanismes de croissance cristalline du KDP/DKDP à température constante et relation avec la tenue au vieillissement Contexte : Le Laser MegaJoule (LMJ) est une installation du CEA destinée à l’étude des plasmas extrêmes par interaction d’impulsions laser fort énergie avec la matière. Pour créer ces plasmas, des faisceaux lasers UV seront focalisés simultanément sur une cible pour atteindre une énergie de 1,8 MJ. Chacune des lignes laser comporte deux sous systèmes, la cellule de Pockels et le système de conversion de fréquence IR-UV, composés de plaques monocristallines d’environ 400 mm de côté issues de monocristaux de KH2PO4 (KDP) de très grandes dimensions. Dans une ligne laser, les cellules de Pockels jouent le rôle d’interrupteur optique. En fin de lignes la conversion de fréquence est effectuée en deux étapes : un premier cristal de KDP convertit le faisceau IR en visible. Un second cristal en KDP partiellement deutéré assure la conversion visible→UV.

Les cristaux de KDP sont obtenus par une méthode de croissance en solution par abaissement de température. L’Institut Néel (IN), laboratoire du CNRS à Grenoble, a mis au point une méthode de croissance rapide de cristaux de KDP à température constante. Ce procédé est basé sur la circulation de la solution entre un réacteur de dissolution contenant du sel de KDP en excès et un réacteur de croissance, dans lequel est placé un germe, dont la température est plus faible. Dans le réacteur de dissolution, la solution est saturée en KDP, dans le réacteur de croissance, elle est sursaturée car la température est plus faible ce qui entraîne la croissance du cristal.

Le CEA/Le Ripault a repris le principe de la croissance à température constante pour l’appliquer à la croissance de cristaux de plusieurs dizaines de centimètres de côté.

Objectif de la thèse : Les études menées par l’IN ont montré que la méthode de croissance rapide à température constante produit des cristaux avec une faible densité de défauts. Par exemple, les cristaux sont exempts de bandes de croissance. De même, les bouquets de dislocation souvent observés dans les cristaux obtenus par la méthode d’abaissement de température, sont dans ce cas là, peu fournis. Or ces défauts sont des éléments essentiels dans les mécanismes de croissance rapide. Les études menées à L’IN ont aussi montré que les vitesses de croissance des cristaux étaient plus faibles que celles mesurées par abaissement de température. L’un des objectifs de la thèse est de mettre en évidence la relation entre la densité des défauts structuraux de type dislocation et les vitesses de croissance des cristaux.

L’autre objectif concerne l’apparition de fissures sur les surfaces polies des cristaux de DKDP (crazing de surface). L’hypothèse la plus fréquemment répandue rend l’échange isotopique deutérium/hydrogène à la surface, responsable du crazing. L’un des intérêts de la croissance à température constante est de travailler à des températures proches de l’ambiante. Or, des études du LLNL ont relié le crazing à la croissance des cristaux de DKDP à basse température. L’étude de la relation entre le crazing et les conditions d’élaboration a pour objet de comprendre les mécanismes d’apparition du crazing et de trouver les moyens de s’en prémunir.

Déroulement de la thèse : Le travail de thèse implique des essais de croissance de KDP et DKDP dans plusieurs conditions de température et sursaturation. La caractérisation structurale par topographie X et des surfaces par AFM et SIMS sont des moyens à privilégier. La thèse se déroule en collaboration avec l’Institut Néel qui reste le seul spécialiste de la croissance en solution de la recherche académique française. L’IN dispose des compétences et des moyens de préparation et de caractérisations structurales, physico-chimiques et optiques des matériaux. Le CEA/Le Ripault dispose des moyens de croissance en solution de cristaux de KDP/DKDP.

Directeur de thèse et école doctorale : Alain Ibanez, Directeur de Recherche au CNRS Directeur du Département matière Condensée Matériaux et Fonction de l’Institut Néel à Grenoble

Contact : B. Pintault – [email protected] CEA/Le Ripault – 02.47.34.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : CNRS

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 91/130

Science des matériaux  

Sujet :

Modélisation du comportement thermo-mécanique de composites 3D Carbone / Carbone

Cette thèse aura lieu au Laboratoire des Composites Thermo Structuraux (LCTS) Bordeaux, Unité Mixte de Recherche : Univ. Bordeaux-CNRS-Safran-CEA

Contexte : Grâce à leurs propriétés mécaniques et thermiques à très hautes températures, les matériaux composites 3D carbone/carbone (C/C) sont utilisés en particulier comme bouclier thermique dans la rentrée atmosphérique. Pour le dimensionnement de pièces en composite 3D C/C, il est nécessaire de parfaitement maîtriser le comportement thermo-mécanique endommageable du matériau. Or, suivant la nature et l’arrangement des constituants (fibres de carbone, matrices de coke de brai graphité), cette propriété est variable.

Objectif de la thèse : Les objectifs sont la modélisation et la compréhension du comportement thermomécanique du composite 3D C-C à partir des propriétés de ses constituants et de leur arrangement.

Déroulement de la thèse : Le matériau est un assemblage orthogonal de "fils" unidirectionnels de composites C/C. La démarche proposée s'inscrit dans l'analyse, la compréhension et le dimensionnement des matériaux par des modèles multiéchelles utilisant des matériaux virtuels. Pour ceci le matériau est préalablement étudié à différentes échelles. L'arrangement des phases est extrait à partir d'analyses tomographiques à l'échelle de l'échantillon ou à partir d'analyses microscopiques à l'échelle du fil et de la fibre. La modélisation peut s’envisager sur une structure générée par ordinateur sur la base des informations obtenues par la tomographie. Le comportement thermomécanique endommageable des phases est mesuré grâce à des essais de traction à chaud, avec observations sur composites unidirectionnels, ou sur le matériau final, grâce à des essais de nanoindentation. Toutes ces informations servent de base à la construction d'un modèle thermomécanique endommageable permettant de prévoir et de comprendre le comportement du composite 3D C-C.

Techniques mise en œuvre :

Expérimentale : tomographie, micrographie (optique et électronique), essais thermo-mécaniques sur fibre et composites, nano-indentation.

Modélisation : numérisation de matériaux réels, synthèse de matériaux virtuels, modélisation multi-échelle.

Directeurs de thèse et école doctorale : G. L. Vignoles, [email protected], Université de Bordeaux

Contact : Sylvain Chupin – [email protected]

CEA/Le Ripault – 02.47.34.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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92/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Science des matériaux

Sujet :

Etude et optimisation d’électrolytes pour batterie Li-ion 5V

Contexte : Programme CEA « Batteries Li-ion »

Objectif de la thèse : Le secteur énergétique est actuellement confronté à plusieurs défis majeurs que sont la hausse de la demande mondiale en énergie, la raréfaction des ressources fossiles et la réduction des émissions de polluants issus de l’activité humaine. Dans ce contexte énergétique, le développement dans le stockage électrochimique de l’énergie est en plein essor et est particulièrement poussé par le secteur de l’automobile.

Un accumulateur Li-ion comprend deux électrodes à base de composés d’intercalation et un électrolyte qui assure le transfert ionique entre l’anode et la cathode. Les récents développements (en particulier au CEA-Liten) dans les domaines des matériaux d’électrodes positives dont la tension nominale atteint 5V vs. Li+/Li ouvrent des perspectives très intéressantes en terme de densité énergétique (200 Wh/kg) et de réduction des coûts des batteries (réduction du nombre d’éléments en série). Malheureusement, les électrolytes déjà éprouvés vis-à-vis des électrodes dites « technologie 4V » ne sont plus utilisables car ils se dégradent par oxydation au-delà de 4,5V vs. Li+/Li. Pour valoriser ces nouveaux matériaux d’électrodes, il faut formuler de nouveaux électrolytes performants à haute tension et compatibles avec l’application batterie Li-ion.  Cette thèse vise d’une part à étudier l’interface électrode/électrolyte pour les batteries lithium-ion, en particulier à haut potentiel et d’autre part à résoudre le problème d’instabilité de l’électrolyte organique. Dans un premier temps, il s’agira d’approfondir la compréhension des mécanismes de dégradation des composants de l’électrolyte au contact des électrodes à travers des techniques électrochimiques (voltamétrie, impédance) et des caractérisations complémentaires (microscopie électronique, spectroscopie infra-rouge…). Les résultats acquis serviront ensuite à optimiser la formulation d’électrolytes pour exploiter pleinement les performances des batteries 5V. Pour cela, Les électrolytes innovants formulés devront être électrochimiquement compatibles avec les électrodes choisies et permettre une bonne cyclabilité de ces matériaux, même soumis à des régimes de charge/décharge importants, tout en présentant une durée de vie intéressante pour envisager une future commercialisation.   Déroulement de la thèse : CEA/Le Ripault

Début de la thèse : octobre 2013

Directeur de thèse : Hervé Galiano CEA/Le Ripault

Contact : Matthieu LE DIGABEL CEA/Le Ripault – 02 47 34 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 93/130

Science des matériaux

Sujet :

Contribution à la conception, au dimensionnement, à la réalisation et à l'étude du comportement mécanique de volants d'inertie en composite

Contexte : Programme transverse NTE

Compte tenu de l'essor des énergies renouvelables, l'intermittence de la production d'électricité impose le recours à des solutions de stockage de l'énergie. Dans cette optique, les systèmes inertiels de stockage d'énergie (SISE) font actuellement l'objet de nombreuses recherches. Les SISEs constituent notamment des systèmes de stockage particulièrement attrayants et économiques pour les sources ininterruptibles de tension (UPS), les sources de tension embarquées (véhicules ou spatiales) ou encore l'amélioration de la qualité de l'énergie fournie par le réseau électrique.

Cette forme de stockage utilise l'énergie cinétique. La dépendance de l'énergie stockable avec le carré de la vitesse encourage au développement de solutions utilisant des rotors composites. Le design, le dimensionnement ainsi que la réalisation de ces objets ne sont pas sans difficulté. En effet, les pièces envisagées peuvent être de grandes dimensions et soumises à des vitesses de rotation de plusieurs dizaines de milliers de rotations par minute impliquant des gradients de contraintes/déformations considérables et des problèmes d'interfaces multimatériaux. Cette thèse vise donc à contribuer à améliorer le socle de connaissances lié aux rotors composites en couplant une approche numérique puis expérimentale en s'appuyant notamment sur des essais par partie sur pièces instrumentées.

Objectifs de la thèse :

Les objectifs premiers de la thèse sont de contribuer au développement de connaissances sur la conception, le dimensionnement, la réalisation et le comportement mécanique de rotors composites bobinés.

Le déroulement de la thèse est envisagé partagé entre le laboratoire du Pr Renard au Centre des Matériaux Pierre-Marie Fourt de l’Ecole des Mines ParisTech (Evry) et le Centre CEA du Ripault. Ainsi le doctorant pourrait démarrer sa première année de thèse au Centre des Matériaux pour initier la partie bibliographique et le calcul numérique puis poursuivre sur le site du Ripault pour la partie élaboration des rotors modèles et conduire les essais instrumentés. Un recalage des études numériques sur rotors simples serait alors possible à l’issue de cette première phase (année 1). Puis, des assemblages ou pièces composites de plus fortes épaisseurs seraient dimensionnées puis réalisées et testées en année 2. La prise en compte des transferts de charge entre les couches et le comportement des structures soumises à des gradients importants est un challenge particulièrement ambitieux pour la compréhension et l’optimisation de ces structures. L’année 3 serait consacrée aux tests en conditions représentatives et à la valorisation des résultats de l’étude sur la conception numérique d’une pièce échelle 1.

Déroulement de la thèse : CEA/Le Ripault

Début de la thèse : septembre 2013

Directeur de thèse : Pr. J. Renard, Mines ParisTech, Centre des Matériaux d’Evry, UMR7633

Contact : F. Nony - [email protected] CEA/Le Ripault – 02 47 34 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : Ademe, Projet AMI Voltere.

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94/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Science des matériaux

Sujet :

Etude, caractérisation et optimisation de mélanges polymères / liquides ioniques. Application à la réalisation de liners pour réservoirs de stockage hyperbare de l’hydrogène. (Co-direction INSA de Lyon)

Contexte : Programme transverse NTE – Stockage hyperbare de l’hydrogène

Objectifs de la thèse :

Le déploiement de solutions de stockage sûres, compactes, légères et compétitives constitue un enjeu majeur en vue du déploiement de la filière hydrogène. Les matériaux les plus utilisés pour réaliser la paroi de confinement de l’hydrogène sont le plus souvent des matériaux classiquement rencontrés pour le stockage des hydrocarbures (GPL, Gaz naturel,…) présentant cependant des limitations fortes en termes de perméation hydrogène ou de comportement thermomécanique.

La thèse vise à formuler et caractériser de nouveaux matériaux candidats pour l’application et notamment l’influence de liquides ioniques en mélange dans des polymères techniques conventionnels ou dans des systèmes liquides réactifs compatibles des systèmes de transformation utilisés. Les liquides ioniques font actuellement l’objet de recherches multiples quant à leur apport potentiel comme solvants ou additifs dans les polymères. Des premiers résultats académiques1 démontrent la possibilité de les utiliser comme agents de renforcement des polymères en formant un réseau de forte cohésion s’apparentant à celui des réseaux percolants de nanocharges (noir de carbone, silice) mais capables d’accommoder des déformations extrêmement importantes. Ce gain simultané de rigidité et de déformation à rupture, fondamentalement antinomique par nature, constitue l’enjeu majeur pour la conception des matériaux de liner de réservoirs composites destinés au stockage gazeux de l’hydrogène. En effet, ces enveloppes organiques doivent pouvoir supporter des déformations et contraintes matériaux sur une plage très large de température (en continu [-40 ;+85°C], en pointe 110-130°C), tout en présentant une rigidité et une stabilité dimensionnelle compatibles des procédés de fabrication et des performances barrière à l’hydrogène requises.

Le programme de travail s’appuiera sur une recherche bibliographique et sur les travaux déjà réalisés au sein du laboratoire en partenariat avec le PCM2E (LRC) ou l’INSA de Lyon pour identifier les différents matériaux les plus pertinents. Les différents systèmes seront étudiés en termes de perméation H2, propriétés thermomécaniques et comportement rhéologique ou chemorhéologique (procédé réactif). Puis, la mise en œuvre des systèmes les plus prometteurs sera optimisée afin d’accéder à une évaluation sur liner et réservoir de taille représentative.

Déroulement de la thèse : CEA/Le Ripault

Début de la thèse : octobre 2013

Directeur de thèse : JF Gérard (INSA de Lyon)

Contact : F. Nony – [email protected] CEA/Le Ripault – 02 47 34 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : Ademe/Région

                                                        1 Ionic liquids multifunctional agents of the polymer matrices, PhD Thesis, S. Livi, 12/2010.

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 95/130

Science des matériaux

Sujet :

Approches déterministe et probabiliste du comportement mécanique des réservoirs haute pression pour le stockage de l’hydrogène gazeux

Contexte : NTE / Hydrogène énergie

Objectif de la thèse : L’approche déterministe pour représenter le comportement mécanique des réservoirs composites haute pression ne permet pas aujourd’hui de simuler finement le comportement réel des réservoirs lors des tests de caractérisation. Le plus souvent les méthodes de conception et de dimensionnement adoptées par l’ingénieur de manière conventionnelle consistent à utiliser un ou plusieurs modèles déterministes de la littérature, en lui adjoignant un facteur de sécurité prenant en compte un ensemble d’incertitudes. Ces incertitudes incluent un aléa sur les propriétés mécaniques et une incertitude sur le modèle du réservoir. Aujourd’hui une approche plus rationnelle de ces incertitudes semble nécessaire. L’objectif de la thèse est de prendre en compte dans la modélisation les distributions de propriétés de matériaux et des réservoirs, d’y associer une méthodologie pour estimer un niveau de confiance dans les résultats et garantir le fonctionnement des réservoirs et d’évaluer le gain par rapport à une approche déterministe.

• Dans un premier temps un état de l’art sera réalisé sur les réservoirs composites haute pression, sur la connaissance de leurs comportements ainsi que sur les méthodes probabilistes et fiabilistes.

• Les modélisations déterministes du comportement des réservoirs seront étudiées, comparées entre elles, ainsi qu’à des résultats expérimentaux sur éprouvettes et réservoirs.

• Les modélisations probabilistes (soit en variables aléatoires, soit en champs aléatoires) avec les méthodologies associées seront mises au point et comparées aux résultats expérimentaux afin de déterminer le niveau de confiance dans les résultats pour garantir le fonctionnement des réservoirs.

• Au final, l’approche probabiliste mise au point pourra être appliquée au CEA pour la conception et le dimensionnement d’un réservoir.

Déroulement de la thèse : Ecole des mines et CEA

Directeur de thèse et école doctorale : Jacques Renard (ENSMP : Ecole des Mines de Paris) Ecole Doctorale des Arts et Métiers ParisTech

Contact : Stéphane Villalonga – [email protected] CEA/Le Ripault – 02 47 34 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : ADEME / Région Centre

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96/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Science des matériaux

Sujet :

Elaboration de matériaux thermoélectriques par éco-conception et chimie douce. Modélisation des propriétés Contexte :

La demande énergétique mondiale est croissante. Une grande part de l’énergie utilisée est perdue sous forme de chaleur (par exemple, un moteur de véhicule perd environ 30% de l’énergie consommée sous forme de chaleur). Les matériaux thermoélectriques permettent de transformer directement la chaleur en électricité. Ils permettront d’améliorer l’efficacité énergétique de nombreux systèmes. Les applications de ces matériaux sont multiples, citons : - la thermogénération par conversion de chaleur en électricité, - les dispositifs de pompage de chaleur, - les capteurs dont capteurs de flux thermique, Les principaux secteurs d’activité sont : - l’automobile : thermogénération et climatisation, - l’aéronautique : thermogénération, - le bâtiment : pompe à chaleur Peltier pour maisons à énergie positive et basse consommation, - la métrologie thermique : fluxmètre haute température (T=1000K), - l’efficacité énergétique : thermogénérateurs industriels et solutions thermodynamiques. Les différentes familles de matériaux thermoélectriques se répartissent selon leur domaine de température. On trouve les alliages de bismuth et d'antimoine (Bi1-xSbx), les alliages de bismuth et de tellure (Bi2Te3), le tellurure de plomb (PbTe) et ses alliages de tellurure plomb-étain (PbSn)Te, la famille des skutterudites (dérivée de CoSb3) entre 650 et 950K, les alliages à base de silicium et germanium qui possèdent de bonnes caractéristiques thermoélectriques à haute température (> 1 000 K). Comme on peut le constater, les matériaux à propriété thermoélectrique sont loin de tous offrir un caractère inoffensif ou atoxique (présence de métaux lourds). C’est pourquoi, il est urgent de développer une filière d’élaboration plus respectueuse de l’environnement, sans métaux lourds, compatible d’un cycle de vie « écoréfléchi » et peu coûteux. Les matériaux répondant à ces critères sont par exemple des oxydes métalliques (cobaltites, phases de Magnelli, oxyde de zinc, pérovskites de manganèse ou de titane).

Objectif de la thèse :

Dans ce contexte, l’élaboration de matériaux thermoélectriques en mutualisant le savoir-faire existant du laboratoire GREMAN dans ce domaine et celui du CEA/LR sur les oxydes nanostructurés permet d’espérer un effet de synergie qui permettra de positionner la recherche sur les applications thermoélectriques à un niveau très compétitif.

Une des voies qui sera poursuivie est l’amélioration du rendement de conversion en utilisant des structures de basse dimensionnalité, qui possèdent des propriétés assez différentes du matériau massif de même composition. Ces structures qui seront élaborées par voie de chimie douce, sont principalement envisagées pour des applications à basses ou moyennes températures (<150-200 °C). L’objectif du travail de thèse est de tester les approches de nanostructuration sur des oxydes afin de disposer de matériaux faciles à produire en grandes quantités, peu chers, respectueux de l’environnement et de la santé et performants, afin de récupérer l’énergie perdue sous forme de chaleur dans de nombreux procédés industriels.

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 97/130

Déroulement de la thèse :

Le travail de thèse, échelonné sur 3 ans, nécessite de travailler sur les volets suivants : 1. Sélection des compositions sur une base d’éco-conception. Elaboration de ces compositions par voie chimie douce. 2. Modélisation des propriétés et caractérisations micro-structurales. Etablissement de relations structure – propriétés. 3. Optimisation de la phase d’élaboration et réalisation de démonstrateurs caractérisés. Le GREMAN possède un plateau technique lui permettant de mesurer les propriétés thermoélectriques (coefficient de Seebeck, conductivité électrique et conductivité thermique) de 2 à 1073 K, gamme de température permettant à la fois des études théoriques sur l’origine des phénomènes physiques et des études appliquées de développement de nouveaux matériaux plus performants. Le GREMAN est par ailleurs membre du GDR thermoélectricité (GDR N°3052). Le CEA/Le Ripault est spécialisé dans l’élaboration, la caractérisation et la modélisation des matériaux. Concernant l’élaboration, le CEA/LR est un laboratoire reconnu dans le domaine des matériaux nanostructurés par chimie douce. En outre, un axe important que le CEA/LR développe et applique aux matériaux thermoélectriques, c’est celui de la modélisation et la prédiction des propriétés. En particulier, le CEA possède une compétence mise à profit depuis plusieurs années dans le calcul de propriétés thermoélectriques et de structures électroniques par méthode ab initio. Ces calculs théoriques à vocation prédictive, visent à comprendre, interpréter, les résultats expérimentaux afin d’imaginer ensuite les meilleures compositions et meilleures structures de matériaux à performance ou robustesse améliorées. Compte tenu des voies innovantes qui seront regardées dans le cadre de ce travail, la publication des résultats sera envisagée en privilégiant les revues scientifiques à impact.

Directeur de thèse et école doctorale : Ph. Belleville (CEA) / Fabien Giovanelli (GREMAN / Univ. Tours)

Contact : Ph. Belleville – [email protected] CEA/Le Ripault – 02 47 34 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : Région Centre

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98/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Sciences des matériaux

Sujet :

Développement et caractérisation de barrières thermiques nanostructurées par projection plasma de suspension

Contexte : Une des principales difficultés liées à l’amélioration des performances des barrières thermiques pour des applications aéronautiques réside dans l’antagonisme entre augmenter la résistance au cyclage thermique des revêtements et diminuer leur conductivité thermique.

Nous proposons dans cette thèse de tenter d’améliorer les performances de la barrière thermique par seul contrôle de sa microstructure, en générant des revêtements plasma nanostructurés originaux par projection plasma de suspension, procédé communément appelé SPS (Suspension Plasma Spraying).

Ce procédé consiste à injecter un jet de plasma liquide constitué d’une suspension de particules dispersées dans un solvant. Il permet ainsi la projection de nanopoudres. Les principaux atouts du procédé sont : - Capacité de faire varier aisément dans une large gamme les microstructures des revêtements (homogènes, micro-

fissurés verticalement, colonnaires…) en jouant sur les paramètres de la suspension (taille, taux de charge, solvant, concentration…) et les conditions plasma,

- Capacité de faire aisément varier les compositions des couches en utilisant des précurseurs liquides ou solides qui peuvent réagir en vol et former la phase dans le jet de plasma.

Objectif de la thèse : L’objectif de cette thèse est d’évaluer, dans le cadre des applications aubage et anneau de turbine, l’influence de la nanostructure isotrope obtenue par projection SPS sur la conductivité thermique et la résistance à la fatigue de barrières thermiques.

Déroulement de la thèse :

Les travaux du doctorant suivront les items suivants : - Identification et optimisation des paramètres procédés responsables de l’évolution des propriétés, - Optimisation de l’adhérence de la barrière thermique sur différents substrats métalliques représentatifs avec sous-

couche anticorrosion fournis par SAFRAN, - Evaluation des variations microstructurales et de l’architecture du revêtement sur les propriétés, étude du

vieillissement du revêtement en température, - Développement d’architectures complexes (bicouche, gradient de composition…) pour éviter la dégradation de la

barrière thermique par les CMAS (particules de sable ou de poussière aspirées par la turbine).

Les travaux de thèse seront conduits en partenariat entre les entreprises SNECMA Châtellerault et TURBOMECA Bordes, l’université partenaire et le laboratoire de projection thermique (LPTh) du Commissariat à l’Energie Atomique (CEA) de Monts (37). Le doctorant sera localisé au niveau du laboratoire de projection thermique au CEA de Monts.

Directeur de thèse et école doctorale : en négociation

Contact : Luc Bianchi - [email protected] CEA/Le Ripault – 02 47 34 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : SAFRAN/Direction Matériaux et Procédés

Profil du candidat :   Master 2 ou Ecole Ingénieur en matériaux et/ou physique

Collaboration : SNECMA Châtellerault et TURBOMECA Bordes

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 99/130

Sciences des matériaux

Sujet :

Exploitation et modélisation du comportement à la pyrolyse des matériaux Carbone/Résine

Contexte :

Des composites carbone/résine utilisés actuellement par le CEA ne seront plus disponibles dans le futur car certains de leurs constituants seront interdits d’utilisation (réglementation européenne REACH). Il convient dès à présent de trouver des matériaux composites de substitution présentant un comportement thermique similaire sous fortes et rapides sollicitations. Afin d’évaluer le potentiel de plusieurs candidats, une installation d’ATG (analyse thermogravimétrique) rapide est en cours de développement. Outre la perte de masse en fonction de la température, l’analyse des gaz issus de la dégradation de ces matériaux est nécessaire afin de décrire et modéliser leur loi de pyrolyse et d’évaluer leur aptitude à remplir leur fonction.

Objectif de la thèse :

Les objectifs de cette thèse sont la mise en place d’un système d’analyse de gaz sur l’installation d’ATG rapide en cours de mise au point, la validation du dispositif sur échantillons écoles et l’étude puis la modélisation des lois de pyrolyse de différents candidats en fonction de diverses sollicitations thermiques. Plus particulièrement, la recherche de résines de substitution puis l’étude de leur pyrolyse est à mener.

Déroulement de la thèse :

Les travaux de cette thèse seront les suivants :

- prise en main de l’installation d’ATG rapide en cours de développement,

- recherche bibliographique sur les outils d’analyse chimique pertinents pour l’étude, sur les lois de pyrolyse et les modélisations associées ainsi que sur les résines de substitution actuellement disponibles sur le marché,

- validation des outils techniques et numériques sélectionnés sur échantillons écoles,

- étude de diverses résines thermodégradables et de composites constitués si disponibles.

Directeur de thèse et école doctorale : à définir

Contact : Nicolas TENEZE - [email protected] CEA/Le Ripault – 02 47 34 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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100/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Sciences des matériaux  

Sujet :

Développement de matériaux multi échelles anti-usure et anti-corrosion pour remplacement des stellites

Contexte :

Les stellites sont des alliages à base de cobalt et d’éléments principaux complémentaires tels que le chrome, le tungstène et le carbone, particulièrement efficaces comme matériau anti corrosion et anti usure et qui présentent une durée de vie assez longue. Ils sont utilisés dans le secteur nucléaire comme renfort sur des pièces soumises à de forts frottements. Ces renforts sont fabriqués généralement soit par plasma à arc transféré (PTA) ou par chalumeau oxyacéthylénique (alimentation du matériau sous forme de baguettes dans une flamme). Ces procédés présentent l’avantage de créer une liaison métallurgique, qui renforce l’adhérence, entre les deux matériaux. Si ces très bonnes propriétés ont donc favorisé l’utilisation des stellites dans des environnements agressifs, leur principal inconvénient réside dans l’activation du cobalt sous irradiation, ce qui transforme ce matériau en déchet à vie longue lors du démantèlement des installations nucléaires. De nouveaux matériaux (NOREM en base fer) commencent à remplacer les stellites en certains points des réacteurs nucléaires, par exemple pour les petites robinetteries qui peuvent être accessibles pour remplacement. Egalement certaines nuances COLMONOY (base Nickel) développés il y a quelques années présentent des particularités intéressantes comme revêtements anti-usure mais sans avoir convaincu en particulier avec une vitesse de corrosion rédhibitoire. La problématique des revêtements en milieu agressif nucléaire nécessite des dépôts épais, fortement adhérents et résistants aux frottements. Les besoins dans le domaine nucléaire incluent : - une tenue mécanique (dureté/ valeurs de la limite d’élasticité et de la limite à rupture) équivalente ou supérieure à

celle de la stellite grade 6, - une ductilité résiduelle suffisante, - une tenue aux chocs mécanique et thermique correcte pour justifier son emploi dans le cas d’organes de

robinetterie, - une tenue à la corrosion en eau sous pression suffisante ainsi qu’une tenue adéquate dans les milieux dérivés du

primaire qui sont ceux de certains organes de robinetterie (milieux bras morts des clapets RIS par exemple), - des valeurs de ténacité équivalentes à celles de la stellite 6, - procédé incluant des contraintes résiduelles « raisonnables ». La diversité des problématiques à résoudre conjointement constitue le challenge principal de ce travail Objectif de la thèse :

Ce sujet de thèse se propose d’effectuer un développement de nouveaux matériaux anti-usure et anti-corrosion en milieu agressif en se basant à la fois sur les derniers procédés émergents et sur les percées scientifiques multi-échelles du génie des matériaux. Les structures des dépôts que ce soit à l’échelle micrométrique ou à l’échelle nanométrique, jouent un rôle important dans les propriétés de ces derniers. Ainsi, depuis une dizaine d’années, de nombreux procédés ont été mis en œuvre afin de maîtriser la structure à l’échelle nanométrique. Le sujet de thèse se propose de modifier et d’améliorer la structure des dépôts par l’ajout de dopants en combinant les deux échelles de structure nanométrique et micrométrique.

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 101/130

Déroulement de la thèse :

Ce travail se propose de faire travailler les équipes de la DEN qui possèdent des compétences dans le domaine des matériaux pour le nucléaire et les équipes de la DAM qui possèdent un savoir faire dans la mise en œuvre de matériaux par les moyens de projection en voie classique (poudre micrométrique en voie sèche) ou en voie suspension (poudre nanométrique en voie liquide).

La voie classique permettra d’apporter l’épaisseur alors que la voie liquide permettra d’apporter l’amélioration des propriétés, la combinaison de ces deux techniques, en co-projection, visant à obtenir des revêtements épais à structure variée.

Pour cela, le travail de thèse nécessite de définir une matrice, qui servira de base de référence avec les matériaux les plus aboutis en terme de résistance à l’usure et de les mettre en forme par les techniques de projection telles que la projection plasma basse pression et/ou la projection à flamme HVOF.

Les approches actuelles ont montré qu’il est très difficile de sélectionner un alliage sans Co offrant les mêmes propriétés d’usage que la stellite 6 même si certains alliages actuels proposent des performances proches pour des conditions moins sévères (NOREM) ; l’approche de ce travail consistera en la sélection d’alliages pouvant ainsi être optimisés par divers procédés (inclusions non métalliques/équilibre des éléments d’alliages, maîtrise des résiduels, etc…).

Le travail de la thèse visera au développement de nouveaux dépôts alternatifs à l’usage de la stellite 6 mais sans Co et inclura les phases suivantes :

1- Revue bibliographique du REX du comportement des alliages alternatifs à la stellite 6 et synthèse des propriétés requises pour l’usage nucléaire.

2- Proposition d’un ou deux alliages alternatifs en conjonction avec les procédés de dépôts les plus opportuns et des axes d’optimisation les plus prometteurs, l’accent sera mis sur la composition optimisée incluant le détail des mécanismes de dégradation potentiels affectant les constituants des dépôts durs et le rôle des différents éléments d’alliages, cette étude des mécanismes de dégradation sera à la base du processus de sélection de l’alliage et de ses dopants.

3- Tests des méthodologies de dépôts. 4- Phase de qualification exploratoire d’usage : microstructure, tenue aux chocs, tenue mécanique, tenue à la

corrosion dans les environnements envisagés. 5- Bilan. Les phases 3, 4 et 5 nécessiteront des allers retours successifs compte tenu des nombreuses contraintes à satisfaire.

Directeur de thèse et école doctorale :

En cours de réflexion. Deux voies possibles : une école doctorale spécialisée dans les procédés (Laboratoire LERMPS à Belfort ou SPCTS à Limoges) ou une école doctorale spécialisée dans les propriétés des matériaux (Ecole des Mines de St Etienne…)

Contact : Erick MEILLOT - [email protected] CEA/Le Ripault – 02 47 34 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : Financement DEN sur projet MASNA acquis.

Profil du candidat :    Master 2 ou Ecole Ingénieur en matériaux et/ou, mécanique

Collaboration : CEA/DEN/SACLAY

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102/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Science des matériaux  

Sujet :

Synthèse de molécules hétérocycliques azotées énergétiques

Contexte : Les bonnes performances des molécules explosives résultent d’une forte densité et d’une enthalpie de formation élevée. En mettant l’accent sur des structures aromatiques fortement azotées, on peut de plus espérer une faible sensibilité, ce qui générerait de bons candidats pour un développement ultérieur. Les travaux issus des 3 thèses précédentes sur ce sujet ont permis de valider un certain nombre de jalons dans cette démarche, que nous nous proposons de poursuivre dans le cadre d’une nouvelle thèse.

Objectif de la thèse : Il s’agit de mettre au point des méthodologies d’accès à de nouvelles molécules énergétiques. L’idée est de proposer de nouveaux squelettes de base dont les performances énergétiques puissent être optimisées via leur fonctionnalisation ultérieure. Au final, le but ultime est de dépasser les performances de molécules classiques comme le TNT ou le TATB.

Déroulement de la thèse :

1) Mise au point de nouvelles méthodologies d’accès à de nouveaux systèmes polycycliques fortement azotés Dans ce cadre, des molécules bicycliques, tricycliques ou tétracycliques seront envisagées. La construction d’un cycle accolé à 3 atomes d’azote (1,2,4-triazole) ou à 4 atomes d’azote(tétrazole) sera étudiée. Nous nous intéresserons également à la synthèse de polycycles contenant un oxadiazole. Cet hétérocycle présente l’avantage d’être à la fois riche en azote et oxygéné, donc agissant positivement sur la balance en oxygène (BO) de la molécule. La BO est un paramètre influant directement sur la performance énergétique.

2) Fonctionnalisation d’hétérocycles azotés par des groupes explosophores Dans la démarche globale envisagée, deux solutions s’offrent à nous, soit fonctionnaliser le squelette fortement azoté constitué (post-fonctionnalisation), soit travailler sur les précurseurs (pré-fonctionnalisation) puis appliquer les méthodologies mises au point en 1). Dans ce cas, les nouvelles stratégies développées lors de cette thèse, mais également celles validées lors des thèses précédentes, pourront être mises en œuvre. Un exemple de fonctionnalisation fortement valorisable dans notre cas serait la nitration catalysée par des métaux de transition.

Le schéma suivant illustre la démarche suivie :

N N NHX Y N N NHN+couplage

cyclisation

N X

E

E

N Xfonctionnalisation

N N NHN N N NHNfonctionnalisation

E

N N NHN

E

E = groupe explosophore : NO2, N3...

molécule énergétique

1)

2)et/ou

squelette fortement azoté

Directeur de thèse et école doctorale : Eric Pasquinet/Gérald Guillaumet, Orléans

Contact : Eric Pasquinet – CEA/Le Ripault – 02 47 34 40 00

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 103/130

Science des matériaux

Sujet :

Amélioration de la durée de vie de membranes nanocomposites hybrides pour pile à combustible du type PEMFC. Etude des relations structure/propriétés. Comportement hydrique et vieillissement en milieu acide de membranes nanocomposite

Contexte : Les piles à combustible à membranes échangeuses de protons (PEMFC) sont des dispositifs capables de produire de l’électricité et de la chaleur à partir de l’énergie électrochimique de l’hydrogène en rejetant uniquement de l’eau. Elles peuvent ainsi fortement contribuer à la diminution de la production de gaz à effet de serre. Dans le cadre de la recherche sur les nouvelles technologies pour l’énergie, le CEA conçoit et développe depuis plusieurs années des composants pour cœur de pile (membranes, plaques bipolaires, électrodes..) et des systèmes complets pour l’automobile et le stationnaire. Les enjeux majeurs des recherches menées actuellement sur les PEMFC portent sur la diminution des coûts de fabrication, la fiabilité, l’augmentation de la durée de vie et de la température de fonctionnement. Objectif de la thèse : Une nouvelle génération de membranes a été développée par le CEA en associant une matrice inerte à faible coût et une charge hybride conductrice de proton basée sur des nanoparticules de silice fonctionnalisée. Les membranes sont réalisées par le procédé de coulée évaporation. Leurs performances en pile sont excellentes pour un coût 3 à 4 fois moindre que la référence commerciale actuelle. L’objectif de la thèse est d’augmenter leur température de fonctionnement et d’améliorer leur stabilité dans les conditions de fonctionnement de la pile afin d’augmenter leur durée de vie. Déroulement de la thèse : Ce travail s’appuiera sur des travaux de thèses et de post-doctorants menés depuis plusieurs années au CEA/Le Ripault sur le développement et la caractérisation de membranes nanocomposites hybrides pour PEMFC dans le cadre de travaux de recherche financés par l’ANR et par l’ADEME. L’un des paramètres qui régit le fonctionnement des membranes est leur état d’hydratation et leur aptitude à rester hydrater à haute température. Il est donc nécessaire d’approfondir les connaissances de ce système nonacomposite hybride en étudiant l’influence de la composition et la morphologie de la charge hybride (taux de silice, nombre de greffons, masse molaire du polymère), l’influence de l’introduction de particules favorisant la rétention d’eau (particules d’oxydes, polymères ioniques, liquides ioniques…) et l’influence des paramètres de mise en œuvre par coulée évaporation sur les propriétés des membranes. Les caractérisations porteront sur les propriétés de conduction protonique, les propriétés mécaniques, la stabilité de la charge en milieu hydraté et acide. Une fois ses paramètres optimisés, une étude du vieillissement hydrothermale des membranes associée à leur comportement en pile sera menée afin de déterminer leur durée de vie en fonction des conditions de fonctionnement de la pile. Directeur de thèse et école doctorale : Pierrick Buvat (CEA/Le Ripault)- [email protected] Université de Tours Contact : Janick Bigarré - [email protected] CEA/Le Ripault – 02 47 34 40 00 Référence INSTN : SL-DAM-13- Cofinancement : 50% Région Centre, 50% ADEME projet TPE

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104/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Science des matériaux  

Sujet :

Etude du passage du laboratoire au pilote préindustriel de la fabrication d’Assemblages Membrane Electrode pour pile à combustible de type PEMFC Contexte : Ecologiquement soutenable, techniquement performante et économiquement concurrentielle, la technologie pile à combustible a tout pour être une des grandes sources d’énergie de demain. Une véritable compétition internationale s’engage dans ce domaine, avec des enjeux énergétiques, environnementaux et économiques importants. Dans ce contexte, le CEA s’équipe d’outils pré industriel permettant de s’adapter rapidement à différents designs de pile pour la fabrication de membranes, électrode et AME. Ces installations permettront de réaliser des AME des grandes surfaces, de façon reproductible, performante et économique. Le LITEN est désormais équipé d’une machine de sérigraphie permettant d’envisager des cadences importantes. Par ailleurs le CEA/LR sera équipé au cours de premier semestre 2013 d’une plateforme de réalisation en continu de membranes et d’AME. Avant d’y parvenir, un travail important d’optimisation et de compréhension des relations entre les procédés de fabrication et les propriétés (performance et durabilité) en pile des AME de PEMFC est à engager, en mettant l’accent sur l’influence du passage de petites surfaces à des grandes surfaces. Ce travail d’analyse, transversal LITEN-CEA/LR, s’appuiera sur une étude plus amont sur l’influence des singularités au sein des AME et leur conséquence sur les propriétés des assemblages. Les données issues de cette analyse alimenteront la réflexion sur les évolutions de design à opérer pour la conception des assemblages de nouvelle génération. Cette démarche permettra d’accélérer le processus de mise au point et d’élaboration à grande échelle d’AME, pour répondre à la demande croissante des programmes de démonstration industrielle.

Objectif de la thèse : Ce projet a pour objectif d’étudier les corrélations entre les procédés de fabrication et les propriétés (performance et durabilité) en pile des AME de PEMFC, en mettant l’accent sur l’influence du passage de petites surfaces à des grandes surfaces. Ce travail d’analyse, transversal LITEN-CEA/LR permettra d’accélérer la mise au point de l’élaboration d’AME, au service des programmes de démonstration industrielle de stack PEMFC du CEA. Déroulement du contrat : Cette thèse permettra de corréler l’apparition de phénomènes physico chimiques limitant les propriétés en pile aux phénomènes physiques qui interviennent lors de la réalisation des assemblages membrane électrode. Ce travail d’analyse et de compréhension s’accompagnera d’un travail d’optimisation des conditions d’assemblages. Dans une dernière partie, le travail d’analyse sera capitalisé pour concevoir des AME de nouvelle génération, éventuellement avec des matériaux innovants développés à travers les programmes de recherche en cours (MENAHTE sur les membranes hybride, EXALAME sur les catalyseurs…).

Contact : P. Buvat - [email protected] CEA/Le Ripault - 02 47 34 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 105/130

Science des matériaux  

 

Sujet :

Synthèse, formulation et caractérisation de matériaux énergétiques nanostructurés

Contexte :

Le sujet se situe dans le cadre de l’étude de l’influence de la micro et nanostructure d’un matériau explosif sur ses performances (performances énergétiques et sécurité/sureté).

Objectif de la thèse :

L’objectif est de mettre au point la synthèse de polymères tridimensionnels fortement poreux (taille des pores comprise entre 50 et 200nm) contenant des fonctionnalités énergétiques telles que celles du TATB (1,3,5-triamino-2,4,6-trinitrobenzène). Dans un second temps, l’idée est de venir faire cristalliser une charge oxydante (Perchlorate d’Ammonium) et/ou explosive au sein des porosités du matériau. Au final, le but est d’obtenir un matériau énergétique nanostructuré aux performances accrues tant en termes de sécurité que de réactivité (détonique, propulsion) par rapport aux constituants de base utilisés (TATB, HMX…). Ce travail de thèse nécessitera de nombreux échanges avec les équipes de caractérisation microstructurale, physico-chimique et réactive qui guideront le développement des compositions. Cette thèse fera appel aux compétences de synthèse organique, de formulation de matériaux et de caractérisation physico-chimiques.

Déroulement de la thèse :

1) Mise au point de la synthèse de polymères tridimensionnels nano poreux (organogels).

2) Cristallisation d’une charge oxydante ou explosif au sein des nano porosité du gel.

Ces deux phases nécessiteront l’emploi de techniques de caractérisation adaptées dans le domaine de la microstructure, de la physico-chimie et la caractérisation réactive.

Directeur de thèse et école doctorale : à définir

Contact : Anne Wuillaume CEA/Le Ripault - 02 47 34 40 00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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106/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Science des matériaux

Sujet :

Etude et optimisation des paramètres mis en jeu lors de l’élaboration de matériaux organiques ou inorganiques, de faibles masses volumiques, dopés ou non, pour la fabrication d’éléments de cible nécessaires aux expériences de Fusion par Confinement Inertiel sur laser de puissance Contexte : La construction par le CEA d'un laser de haute énergie (Laser MégaJoule) en France est un élément clé des moyens de validation expérimentale par partie du programme Simulation. Cette installation permettra aux chercheurs de faire progresser la physique des plasmas thermonucléaires en provoquant la fusion nucléaire contrôlée par confinement inertiel d'un mélange de deutérium-tritium (DT). Ces études requièrent, pour chaque tir laser, une multitude de cibles différentes et composées d'un grand nombre d'éléments assemblés entre eux. Ces éléments de cibles peuvent être de nature très différente (métallique, organique ou inorganique), de géométrie variable parfaitement maîtrisée (parallélépipède, cylindre, sphère…), mais toujours de taille millimétrique.

Les matériaux organiques ou inorganiques mis en œuvre sont de type alvéolaire, de faible masse volumique et pouvant être dopés avec des éléments chimiques ayant des numéros atomiques élevés, typiquement avec de l’or.

Intrinsèquement très fragiles, ces matériaux sont aussi plus difficiles à mettre en forme quand leur masse volumique diminue ou quand leur taux de dopage augmente, ce qui est l’évolution envisagée pour les futurs matériaux. Différentes voies de fabrication sont alors possibles en fonction de leurs propriétés mécaniques. Lorsque ces matériaux sont assez résistants, ils sont synthétisés sous forme de massifs qui sont ensuite usinés puis assemblés. Par contre, lorsque leurs propriétés mécaniques sont trop faibles pour être manipulées, ils sont directement moulés à l’intérieur d’un autre élément de cible.

Les matériaux organiques ou inorganiques utilisés aujourd’hui dans le cadre des développements de cibles pour des expériences de physique des plasmas, qu’ils soient mis en forme par des techniques d’usinage (mécanique ou laser) ou par moulage, subissent à un moment du processus d’élaboration un séchage, soit supercritique (éthanol ou CO2) soit par lyophilisation, pour obtenir les propriétés finales du matériau. Cette étape très stressante engendre des contraintes non négligeables dans ces matériaux où des phénomènes de retrait ou de fissuration sont souvent observés.

Objectif de la thèse : Le but de cette étude est, dans un premier temps, de comprendre les phénomènes physico chimiques mis en jeu lors du procédé de fabrication d'éléments de cibles à base de matériaux alvéolaires organiques ou inorganiques de faible masse volumique, dopés ou non. Plus particulièrement, l'étude visera à analyser : - les méthodes et paramètres de mise en œuvre des matériaux synthétisés sur les différentes géométries à

fabriquer, - les paramètres physico chimiques des phénomènes intervenant aux interfaces (matériau/moule ou

matériau/élément de cible), - les paramètres de séchage.

Déroulement de la thèse : En prérequis, la formulation des réactifs utilisés et la synthèse des matériaux seront réalisées in situ sur la base de gammes développées en collaboration avec le CEA/Le Ripault. Ces synthèses devant se faire en minimisant, voir en supprimant, l’utilisation de produits CMR, cette contrainte va engendrer une exigence accrue de maîtrise des paramètres précédemment cités.

Dans un second temps, ces paramètres seront optimisés pour développer des matériaux massifs destinés à l'usinage (classique, ultra précision, ou laser) et des éléments de cible réalisés par moulage.

Directeur de thèse et école doctorale : Michel Mortier de l’ENSCP

Contact : Lyonel Guillot et Emmanuel Fleury – CEA/Valduc - 03.80.23.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 107/130

Science des matériaux

Sujet :

Étude multi expérimentale des transformations de phases et de leur impact sur les propriétés mécaniques d’un acier inoxydable austénitique stabilisé au niobium

Contexte : Le Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives du centre de Valduc, en collaboration avec d’autres industriels, notamment DCNS et AUBERT & DUVAL, propose un sujet de thèse portant sur l’étude des transformations de phases et des propriétés mécaniques d’un acier inoxydable austénitique stabilisé au niobium : l’acier 316 Nb. Cet acier est utilisé pour la fabrication de pièces de fortes épaisseurs soumises sur de très longues durées à des sollicitations thermomécaniques (température et pression) ainsi qu’à un risque de corrosion. De par sa composition chimique, l’acier 316 Nb n’est pas 100% austénitique : il contient toujours quelques pourcents de ferrite δ. La massivité des pièces peut conduire à ce que le matériau suive, lors de l’étape de trempe indispensable dans la gamme de fabrication, un chemin thermique propice à la transformation de la ferrite δ en phase σ. Or, cette phase, en fonction de sa quantité et de sa morphologie, peut être néfaste au comportement du matériau en le rendant fragile. Des travaux antérieurs ont permis d’optimiser la gamme de fabrication pour s’affranchir de la présence de la phase σ ou tout du moins, de la limiter en quantité et d’en éviter la morphologie la plus néfaste. Ces travaux ont également montré que l’acier 316 Nb présente une autre singularité microstructurale dont l’effet sur les propriétés mécaniques a besoin d’être étudié : les carbonitrures de niobium.

Objectif de la thèse : Dans l’objectif d’accroître nos connaissances sur l’acier 316 Nb, nous proposons d’étudier l’effet du procédé de fabrication (fusion et par voie de conséquence état de ségrégation ; traitement thermomécanique ; trempe) sur le comportement mécanique de ce matériau.

Dans un premier temps, l’étude sera consacrée à l’impact de la vitesse de trempe, en fonction de l’état de ségrégation du matériau, sur : - la microstructure, à savoir :

o la quantité, la composition et la morphologie de la phase σ, o la quantité et la répartition des carbonitrures de niobium ;

- le comportement mécanique : o en traction (résistance et ductilité), o en ténacité.

Les caractérisations microstructurales permettront de mieux appréhender les cinétiques d’apparition de la phase σ et de précipitation des carbonitrures de niobium. Un lien sera effectué entre ces caractérisations microstructurales et les comportements mécaniques. Une partie de la thèse sera également consacrée à la modélisation, par exemple avec la méthode CALPHAD sur la base du modèle de Lifshitz-Slyozov-Wagner (SLW), de ces transformations de phases. L’aspect vieillissement de la phase σ sera également abordé.

Déroulement de la thèse : Cette étude sera co-encadrée par le CEA/Valduc, à proximité de Dijon, qui sera le site d’accueil du doctorant, DCNS-CESMAN, site d’Indret à proximité de Nantes, en tant que fabricant des pièces et le forgeron AUBERT & DUVAL. D’autres partenaires industriels, notamment AREVA TA, y seront également associés. Le travail expérimental fera appel à de nombreuses techniques, par exemple : dilatomètre de trempe, DSC, microscopie optique, microsonde de Castaing, MET, MEB, machines d’essais mécaniques etc. Ces essais, ainsi que les simulations, seront réalisées dans les établissements du CEA (Centres de Valduc et/ou de Saclay), de DCNS et chez AUBERT & DUVAL ou dans des établissements universitaires en relation avec ces derniers.

Directeur de thèse et école doctorale : A définir

Contact : Eric SUZON – CEA/Valduc - 03.80.23.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : Cette thèse sera cofinancée par des industriels : DCNS et potentiellement Aubert & Duval. Il faut rappeler qu’il existe un contrat de collaboration entre le CEA/DAM et Aubert et Duval et un autre en cours d’établissement entre le CEA et DCNS Research.

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108/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Science des matériaux

Sujet :

Modélisation du vieillissement des tritiures métalliques : application au tritiure de palladium

Contexte :

Le palladium et les alliages à base de palladium sont couramment utilisés pour le stockage des isotopes de l'hydrogène. Le stockage sous forme d'hydrure solide présente l'avantage d'être compact et sûr, ce dernier point étant particulièrement intéressant pour le stockage du tritium, isotope radioactif de l'hydrogène. Cependant, la décroissance radioactive du tritium avec une période de l’ordre de 12,32 ans s'accompagne de l'apparition d'hélium dans le solide selon la réaction :

υ+β+→ −+HeT 3  

où −β est un électron, et υ un anti-neutrino électronique. Compte tenu de la faible énergie dégagée lors de cette désintégration (au maximum 18,58 keV), aucun défaut d’irradiation n’apparaît au sein de la matrice métallique. L’hélium-3 généré, très peu soluble, se réorganise rapidement sous forme d'amas puis de bulles, piégées dans la matrice métallique. La rétention de l’3He est une propriété intéressante des tritiures, car elle permet de récupérer un gaz tritium quasiment exempt d’3He, mais cette accumulation d’3He dans le solide va provoquer un vieillissement du matériau caractérisé notamment par l’évolution de ses propriétés thermodynamiques, structurales et mécaniques. Ainsi, lorsque la concentration en hélium dans le matériau atteint une valeur critique, la rétention en phase solide n'est plus assurée et il se produit alors un phénomène de désorption massive durant lequel l'hélium est relargué en phase gazeuse à une vitesse proche de sa vitesse de formation. Durant cette dernière phase, la pression d’hélium dans le conteneur contenant le tritiure peut augmenter rapidement, conduisant à un risque de rupture de celui-ci.

Il est donc fondamental de comprendre et de pouvoir prédire le comportement de l’hélium-3 au cours du temps dans le matériau afin d’une part, de prévenir une montée en pression trop importante dans le conteneur et, d’autre part, de déterminer un critère permettant de sélectionner un matériau pour son aptitude à pouvoir retenir l'hélium sur de grandes périodes, sans avoir besoin du recul expérimental correspondant.

Dans cette optique, de nombreux travaux de caractérisation et de modélisation ont été menés au CEA/DAM depuis une dizaine d’années. Deux modèles ont notamment été développés, en collaboration avec l’Ecole des Mines de Saint-Étienne, pour simuler le vieillissement des tritiures de palladium.

- Le premier modèle concerne la genèse des bulles d’hélium et fait appel à un automate cellulaire ; il permet d’accéder à une densité et une distribution de bulles dans le matériau, le phénomène de nucléation se déroulant sur des temps de l’ordre de huit jours.

- Le second modèle, basé sur la mécanique des milieux continus, simule la croissance d’une bulle ; il permet, entre autres, d’accéder à la pression et à la taille des bulles et au gonflement macroscopique pour des temps de vieillissement de l’ordre de plusieurs années.

Objectifs de la thèse :

La thèse proposée s’inscrit dans la continuité de ces travaux et a pour objectifs :

- L’amélioration des modèles avec notamment la prise en compte des phénomènes conduisant au relâchement massif d’3He.

- l’obtention de nouvelles grandeurs caractéristiques du tritiure de palladium à différents stades de vieillissement, données nécessaires en entrée des modèles (loi de comportement mécanique, coefficient de diffusion de l’3He..) et à leur recalage (densité de bulles, pression dans les bulles, gonflement macroscopique …).

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 109/130

Déroulement de la thèse :

Le programme d’études comportera donc une partie expérimentale et une partie théorique et pourra être décomposé comme suit.

1. Etude bibliographique (3 mois). - Mise à jour de la bibliographie relative aux propriétés mécaniques des hydrures, deutérures et tritiures

de Pd et au vieillissement du tritiure de Pd. - Approche des différents mécanismes de relâchement accéléré de l’3He possibles. - Compilation des données et analyse critique.

2. Etude de l’évolution de la loi de comportement du tritiure de palladium sous différentes phases et à différents stades de vieillissement (8 mois).

- Préparation des échantillons de tritiure de Pd. - Réalisation des mesures et interprétations.

3. Caractérisation du vieillissement du tritiure de Pd (10 mois). - Préparation des échantillons. - Mise en œuvre des techniques adaptées à l’obtention des données d’entrée et de recalage des

modèles : Microscopie Electronique à Transmission (MET) pour la taille et la densité des bulles d’3He, Spectroscopie de Perte d’Energie d’Electron (EELS) et/ou Résonnance Magnétique Nucléaire (RMN) pour la pression dans les bulles, pycnométrie hélium pour le gonflement macroscopique du compact... La plupart de ces techniques de caractérisations évoquées ci-dessus sont déjà utilisées par le CEA/DAM en collaboration avec d’autres laboratoires et ne nécessiteront donc pas de mise au point lourde (MET en collaboration avec le l’Equipe de Chimie et de Métallurgie des Terres Rares de Thiais (ECMTR) et RMN en collaboration avec le Laboratoire de Structure et de Dynamique par Résonance Magnétique (LSDRM) du CEA de Saclay).

- Détermination du coefficient de diffusion de l’3He dans le tritiure de Pd : ce dernier pourra être déterminé par calculs ab initio en collaboration avec des laboratoires extérieurs.

4. Modélisation (10 mois). - Implémentation des lois de comportements déterminées lors des derniers travaux de recherche et

amélioration des modèles existants. - Comparaison calculs / expériences. - Bases de la modélisation de la dernière phase du vieillissement : approche théorique des phénomènes

conduisant au relâchement massif d’3He. 5. Rédaction du mémoire et préparation de la soutenance (6 mois). Le découpage de ce programme est donné à titre indicatif et permet avant tout de faire ressortir les ordres de grandeur du temps accordé à chacun des domaines d’études. En pratique, la mise en vieillissement des échantillons devra intervenir dès le début de la thèse afin d’avoir accès à des temps de vieillissement relativement longs et les actions 2, 3 et 4 devront être menées en parallèle.

Directeur de thèse : Michel Latroche (ICMPE Thiais)

Contact : Arnaud FABRE - CEA/Valduc - 03.80.23.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

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110/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Science des matériaux

Sujet :

Etude du vieillissement d’une soudure homogène en acier inoxydable martensitique

Contexte :

Il s’agit d’apporter des garanties à la conception et à la fabrication d’un réservoir devant répondre à des critères de haute tenue mécanique et d’encombrement minimum, capable de conserver ses caractéristiques dans le temps et présentant une bonne capacité de résistance à la corrosion. L’alliage retenu est un acier inoxydable martensitique X4CrNiMo16.5.1 de désignation commerciale Aubert et Duval APX4. Une étude des évolutions métallurgiques en température et de leur incidence sur les propriétés mécaniques usuelles de cet acier a été menée récemment par Carole Dessolin (thèse CEA/Valduc en collaboration avec Aubert et Duval, l’Université de Bourgogne et le CEA/Saclay SRMA). Il s’agit de poursuivre ce travail en se concentrant désormais sur la soudure homogène réalisée par faisceau d’électrons.

Objectif et déroulement de la thèse :

L’un des premiers objectifs de la thèse sera de caractériser de manière exhaustive cette liaison et d’établir un différentiel avec le métal de base, que ce soit en termes de métallurgie mais également de propriétés mécaniques. L’accent sera mis sur l’étude de la morphologie et de la répartition des différentes phases (martensite majoritaire, austénite résiduelle, ilots de ferrite, différents types de carbure, etc.) au regard de l’histoire thermique. Un lien entre microstructure et propriétés mécaniques devra également être établi. Il sera notamment nécessaire d’estimer les contraintes macroscopiques de clivage des différentes régions de la soudure (qu’il sera possible de corréler aux températures de transition fragile-ductile). Etant donnée la géométrie complexe de la soudure, les différentes caractérisations mécaniques devront être réalisées sur des éprouvettes prélevées dans le cordon de soudure de plaques soudées bord à bord. La représentativité de telles soudures devra être quantifiée et la transposition entre les essais sur plaques au cas industriel sera validée, in fine, par la mise au point d’un essai mécanique spécifique et global permettant de solliciter la soudure réelle.

Enfin, la deuxième partie de la thèse sera consacrée à l’étude du vieillissement de la soudure. En d’autres termes, il s’agira d’étudier l’effet conjoint des contraintes de service et de la présence de traces d’hydrogène sur les propriétés mécaniques dans le temps. Ce volet de l’étude sous-entend une caractérisation de la réactivité du matériau soudé afin de comprendre comment l’hydrogène pénètre dans le matériau (sur la base des travaux actuellement en cours à l’université de Bourgogne). De la même manière, une étude expérimentale de fragilisation par hydrogène (FPH), couplée à la modélisation de la diffusion et du piégeage de l’hydrogène dans la structure triphasée de l’APX4 revêtue d’une couche d’oxyde devrait permettre d’accéder à l’évolution des propriétés mécaniques au cours du temps (travaux initiés au moyen d’une collaboration entre les CEA Valduc, Grenoble et Saclay).

Directeur de thèse et école doctorale : V. Vignal (ICB-Université de Bourgogne) Ecole doctorale Carnot. Une codirection de thèse est à rechercher avec INSA Lyon, CEA/DEN

Contact : Sylvain Ringeval – CEA/Valduc - 03.80.23.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : cette thèse sera cofinancée avec la région Bourgogne

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 111/130

Science des matériaux

Sujet :

Etude du diagramme de phase et de la vitesse du son de l’Oxyde de Fer par compression magnétique quasi-isentropique Contexte : Le comportement à haute pression des métaux de transition de type monoxyde a fait l’objet de nombreuses études. Parmi ceux-ci, le monoxyde de fer (FeO) présente un intérêt particulier, notamment du fait de son importance en géophysique. Bien qu’ayant fait l’objet de plusieurs études à haute pression en cellules enclume diamant ainsi que de nombreux calculs ab-initio, le diagramme de phase, particulièrement riche du FeO, demeure mal connu. En condition ambiante, FeO possède une structure cristalline stable de type B1 (type NaCl). Comprimé à température ambiante, il subit une distorsion de symétrie rhomboédrique autour de 17 GPa, puis se transforme en structure B8 (type NiAs) aux pressions plus élevées. La structure B8 est également stable aux températures intermédiaires, tandis que la structure B1 reste stable à très haute température et ce jusqu’à la fusion, bien que subissant une transition de phase métal-isolant.

En dehors de l’intérêt intrinsèque que présente la physique de cette série de transformations structurales et électroniques, FeO présente également un intérêt considérable pour la géophysique. En effet, l’oxyde de fer est un des principaux composants du manteau inférieur de la terre, et sa présence sous forme de poches localisées est fortement suggérée à la frontière cœur-manteau, ainsi que dans la composition du cœur lui-même. Par conséquent, une connaissance précise de ses propriétés physiques, notamment la densité et la vitesse du son, sera particulièrement utile à l’affinement des modèles géophysiques de l’intérieur de la terre.

Paradoxalement, FeO n’a pratiquement pas été étudié en dynamique de choc. Cela est dû à la complexité de son diagramme de phase, qui se prête difficilement à des expériences qui, par nature, ne produisent chacune qu’un seul point dans la surface des états thermodynamiques. Chaque chargement par choc ne permet d’obtenir qu’un seul état final sur la courbe d’Hugoniot, et par conséquent, les différentes transitions de phase décrites plus haut seraient difficilement observables. En revanche, des expériences de compression par rampe, au cours desquelles le matériau suit réellement un parcours thermodynamique continu proche de l’isentropique, permettraient d’accéder à la succession de transitions subtiles intervenant dans le monoxyde de fer, ainsi qu’à une région inexplorée du diagramme de phase P-T. Ces études permettraient par ailleurs des mesures de densités et de vitesse du son à des niveaux de pressions élevés.

Objectif de la thèse : Dans le cadre de cette thèse, nous proposons de développer la technique de compression isentropique par rampe magnétique initiée sur l’installation SPHINX du CEA/Gramat et notamment d’optimiser dans un premier temps, deux diagnostics utiles aux mesures d’Equation d’Etats à haute pression, notamment l’interférométrie Doppler et la radiographie X. La deuxième partie de la thèse sera consacrée à l’étude sous compression dynamique quasi-isentropique de l’oxyde de fer en régime multi mégabars.

Les résultats obtenus apporteront un éclairage nouveau sur le diagramme de phase ainsi que sur la courbe de fusion, et complèteront les données obtenues en pression statique. Les mesures de densité et de vitesse du son permettront de déterminer le rôle du monoxyde de fer dans les observations sismiques de zones de très faibles vitesses du son à la frontière cœur-manteau, et fourniront des informations sur la proportion d’alliage oxyde-fer présente dans le cœur de la terre.

Déroulement de la thèse : La thèse comportera 3 volets dont les 2 premiers s’effectueront en parallèle. 1) Théorique : bibliographie- état de l’art, analyse des travaux en cours au laboratoire. 2) Instrumentation: optimisation des diagnostics d’interférométrie VISAR et PDV et développement d’un diagnostic de

radiographie X pour les expérimentations de compression isentropique sur l’installation SPHINX. 3) Expérimental : expériences de compression isentropiques sur FeO à différents niveaux de pression.

Le travail se fera dans un environnement pluridisciplinaire et dans un contexte de collaboration entre les équipes du Laboratoire Durcissement aux Rayons X du CEA/Gramat et de l’Institut de Minéralogie et Physique des Milieux Condensés de l’Université Pierre et Marie Curie de Paris.

Directeur de thèse et école doctorale : Université Pierre et Marie Curie (directeur de thèse à définir)

Contact : Thierry d’Almeida, CEA/GRAMAT - 05.65.1.54.32

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : DGA

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112/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Science des matériaux

Sujet :

Simulation du comportement des composites stratifiés soumis aux effets du souffle Contexte :

Etude de la vulnérabilité des structures aéronautiques composites aux actes de malveillance

Objectif de la thèse :

Améliorer des modèles d’endommagement pour simuler le comportement de structures aéronautiques en composites aux effets du souffle. Ce travail fait suite à une première thèse [E. Jacquet, « vers la modélisation robuste de l’endommagement et de la perforation de structures composites soumises à des impacts balistiques » Thèse de doctorat, Ecole Normale Supérieure de Cachan, Juin 2009] qui s’est concentrée sur le développement d’un modèle pour composites stratifiés dédié à la simulation des impacts aux très hautes vitesses (entre 1000 m/s et 3500 m/s). Dans ce modèle le matériau est assimilé à un empilement de plis reliés entre eux par une interface. Un modèle d’endommagement à deux variables scalaires couplé à de la plasticité permet de simuler le comportement du pli constitué d’une couche d’éléments finis tridimensionnels tandis qu’un modèle d’endommagement à une seule variable scalaire permet de simuler le comportement de l’interface au travers d’une loi de contact particulière. Des effets retard sont introduits dans les lois d’évolution des variables d’endommagement.

Déroulement de la thèse :

Le modèle développé lors de cette précédente étude a montré, grâce à des comparaisons avec des essais d’impacts et à des analyses non destructives de l’endommagement induit, une bonne capacité de prédiction des niveaux de dégradation générés dans le composite. Il reste à l’adapter aux cas de structures de grande taille soumises aux effets de souffle avec des échelles de temps à simuler beaucoup plus grandes. Le travail se concentrera sur une formulation du modèle pour les éléments de coque, à l’adaptation des lois d’endommagement aux cas de sollicitations moins localisées où les vitesses de déformations sont beaucoup moins importantes que celles rencontrées dans les impacts aux très hautes vitesses. Le travail de recherche demandé sera pluridisciplinaire. Il s’appuiera sur la formulation de modèles avancés d’endommagement et de plasticité, sur la mise en œuvre de ces modèles dans les codes aux éléments finis, sur le suivi et le pilotage d’essais de souffle sur des structures composites, sur le pilotage et le suivi d’essais de caractérisation du matériau composite sain et endommagé et sur l’analyse critique des résultats numériques et expérimentaux.

La thèse sera principalement réalisée au CEA/Gramat mais également dans le laboratoire universitaire d’accueil.

Directeur de thèse et école doctorale : à définir

Contact : CEA/Gramat - Alain Rouquand – 05 65 10 54 32

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : DGA ou région Midi-Pyrénées

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 113/130

Science des matériaux  

Sujet :

Etude de l’équation d’état d’échantillons métalliques préchauffés. Etudes expérimentales et développement de modèles numériques Contexte : Le CEA/Gramat consacre une part importante de ses activités et de ses ressources à l’étude du comportement dynamique des matériaux. Dans le cadre de ses études de matériaux, il met en œuvre un générateur de rampe de compression nommé GEPI (Générateur Electrique de Pressions Intenses) utilisant les Hautes Puissances Pulsées (HPP), qui permet d’atteindre des contraintes maximales de 100 GPa avec des temps de montée caractéristiques de 450-500 ns. Le principe de ce moyen repose sur l’exploitation d’une pression magnétique générée dans une électrode métallique, de géométrie plane, par un courant pouvant atteindre 3.3 MA. Aujourd’hui ce générateur est utilisé en complément des lanceurs « classiques » de laboratoires (simple et double étage) pour l’étude du comportement dynamique des matériaux : étude des changements de phases, transition élastique-plastique, endommagement par écaillage, génération de plaques minces hyper-véloces, et connaissance des équations d’états. Dans ce dernier domaine, les techniques de choc permettent d’accéder à des états de très fortes pressions, mais situés sur un lieu particulier de la surface d’état appelé adiabatique dynamique. Le GEPI permet lui aussi d’appliquer de très fortes pressions, mais avec des vitesses de déformation pouvant être cent fois plus faibles que sous choc, donc dans des conditions de compression quasi-isentropique. On suit ainsi de nouveaux trajets thermodynamiques sur la surface d’état, ce qui ouvre des perspectives très riches, pour la géophysique notamment. En outre, les chemins de compression sont généralement explorés à partir des conditions de pression et température ambiantes. Comprimer un échantillon préalablement chauffé permettra d’étudier des régions de la surface d’état encore peu explorées et d’atteindre des températures finales plus élevées pour un niveau de compression donné.

Objectif de la thèse : La thèse portera sur le développement d’un dispositif de préchauffage d’échantillons métalliques intégré à la machine électromagnétique GEPI du CEA/Gramat, la réalisation d’expériences instrumentées (interférométrie, pyrométrie), puis à des comparaisons expérience-calcul qui permettront de faire évoluer les modèles d’équation d’état qui seront intégrés dans les codes numériques disponibles au CEA/Gramat.

Déroulement de la thèse : Les travaux de thèse se déclinent comme suit : il s’agira dans un premier temps de poursuivre et d’orienter les travaux de développements d’un dispositif de préchauffage d’échantillons métalliques en cours d’intégration au GEPI (marché d’étude et de réalisation, d’un dispositif permettant de chauffer des échantillons métalliques de l’ambiante jusqu’à 1200 K). Il conviendra en particulier de suivre les essais permettant de mettre au point ce dispositif. Après son intégration sur le GEPI, ses limites de performances seront explorées. On validera également l’intégration au dispositif, d’outils de caractérisation en temps réel de l’état des matériaux : diagnostics « standard » de mesures de vitesse par interférométrie fibrée, mais également intégration d’un nouvel outil de mesure de température par pyrométrie infrarouge (développement réalisé dans le cadre l’objet d’une thèse CEA-ENSMA/LCD). La faisabilité d’intégration de nouveaux diagnostics (analyse cristallographique en temps réel par exemple) sera explorée. Un programme expérimental permettant d’évaluer l’influence de la température initiale et de la vitesse de sollicitation, modulable avec le GEPI, sera construit pour mieux appréhender les cinétiques de transformations. L’ensemble de ces développements expérimentaux est destiné in fine à tester les modèles d’équation d’état multiphases disponibles, voire de les faire évoluer. L’essentiel du travail sera d’abord réalisé sur des matériaux écoles, l’étain par exemple. On s’appuiera en particulier sur les travaux déjà effectués ou en cours sur ce matériau au CEA Gramat. Si les principes de base thermodynamiques des changements de phase sont connus, leur utilisation dans les simulations numériques présente encore beaucoup de difficultés. En particulier les phénomènes d’hystérésis et les cinétiques de changement de phase restent encore difficiles à appréhender. Le travail de validation et d’amélioration des équations d’état sera fait sur un code unidimensionnel lagrangien (UNIDIM), disposant déjà de nombreux modules : équations d’état, élasto-plasticité, électromagnétisme, conduction thermique, maillage adaptatif. Ces travaux pourraient également trouver des développements dans le domaine de la géophysique, en contribuant par exemple à la compréhension des diagrammes de phase du fer (avec et sans impuretés) à haute pression et haute température.

Directeur de thèse et école doctorale : Thibaut de Rességuier - Institut Pprim - UPR CNRS 3346 - ENSMA - BP40109 - 86961 Futuroscope Cedex - 05 49 49 81 73 - [email protected] -Ecole doctorale : Sciences et Ingénierie en matériaux mécaniques, énergétique et aéronautique – SI-MMEA – ED 522

Contact : CEA/Gramat : Pierre Yves Chanal – 05 65 10 54 32 - [email protected] Référence INSTN : SL-DAM-13- Cofinancement : DGA

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114/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Science des matériaux

Sujet :

Etude de l’homogénéisation du comportement en dynamique de composites granulaires à matrice viscoélastique

Contexte :

Il concerne la sécurisation des matières actives pouvant être sujettes à des actes malveillants ou/et des chargements accidentels. La dynamique du chargement impose de prendre en compte la réponse en dynamique de la structure ainsi que la mésostructure de ces matériaux. La simulation de la réponse d’un massif de matière n’étant pas envisageable à l’échelle mésoscopique, elle nécessite des volumes de données et des temps de calculs extrêmement long même sur des machines performantes pour des échantillons réduits (~75 mm3). Afin d’accéder à ces informations de manière raisonnable (en précision et coût) une procédure d’homogénéisation est envisagée dans le domaine dynamique.

Objectif de la thèse :

Mettre en place le cadre théorique d’une homogénéisation en dynamique intégrant la mésostructure.

Déroulement de la thèse :

Dans une première partie, l’étudiant réalisera une étude bibliographique exhaustive de ce domaine d’activité de recherche très récent. Le domaine théorique recouvrant des applications extrêmement diverses de la physique, il devra extraire de l’ensemble de ces informations, celles qui pourraient être un cadre mathématique propre à notre problématique. La seconde partie consistera à situer les capacités des différentes approches pour envisager une homogénéisation en dynamique vis-à-vis des matériaux étudiés qui sont fortement chargés et de structure aléatoire. Dans ce cadre l’application de certaines d’entre elles, jugées potentiellement intéressantes, sera évaluée. La troisième partie consistera à construire le cadre théorique de l’approche envisagée ou retenue. Elle pourra s’appuyer sur des simulations numériques à l’échelle mésoscopique.

Ces travaux s’inscrivent dans une suite de développement de lois de comportement homogénéisées entre le Département de mécanique de l’Institut Pprime et le CEA/Gramat. Le laboratoire de l’Institut apporte son expertise théorique sur la modélisation du comportement de matériaux granulaires fortement chargés. Le CEA/Gramat, quant à lui, apporte d’une part ses capacités d’extraction de données morphologiques des matériaux étudiés, de la construction de modèles schématisés de cette morphologie et de la réalisation de calculs nécessitant des moyens en schématisation explicite volumineux ; d’autre part il réalise des expérimentations permettant de connaître des évènements physiques prenant place lors de ces chargements (fissuration, fragmentation etc.).

Directeur de thèse : Carole NADOT-MARTIN (0549498226) [email protected] – André DRAGON (05 49 49 82 24) [email protected])

Ecole doctorale : SI-MMEA Science et ingénierie en matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique Institut Pprime, UPR CNRS 3346

Contact : CEA/Gramat - Alain Fanget – 05 65 10 54 32

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : DGA

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 115/130

Science des matériaux

Sujet :

Ablation de matériaux carbonés sous très haut flux : étude multi physique de l’interaction matériau/écoulement Contexte :

L’ablation des composites C/C employés comme écrans thermiques (TPS) dans les rentrées atmosphériques hypersoniques entraîne une modification drastique de l’état de surface de ces matériaux, sous l’effet de flux de chaleur intense. Les interactions entre les C/C et leur environnement sont fortement dépendantes de cet état de surface, et réciproquement.

Un des points cruciaux dans la conception des matériaux ablatifs est la connaissance de l’évolution des transferts de masse et de chaleur lors de leur utilisation. A très haut flux, le nombre d’essais disponibles est très réduit, ce qui rend utile le développement d’une approche de modélisation. Nous proposons à la suite de travaux antérieurs, une étude multi physique de l’ablation, combinant un écoulement de gaz à vitesse variable, des flux de chaleur importants, donc des gradients de température élevés, un recul de paroi prenant en compte les différences de résistance à l’ablation des divers constituants, assorti du transport des espèces produites ou consommées lors de la gazéification de la surface.

Objectif de la thèse :

L’objectif du travail proposé consiste, sur la base d’expériences et de modélisation, à produire un modèle validé décrivant l’évolution du matériau et son interaction avec l’écoulement avoisinant. On tiendra compte de l’organisation interne du matériau composite, en se concentrant sur l’échelle mésoscopique fibre/matrice. On développera, en parallèle à la modélisation, des protocoles expérimentaux représentatifs de l’environnement sévère lié à l’application réelle.

Déroulement de la thèse :

Le travail s’organisera autour de quatre points essentiels :

Développement d’une modélisation couplée intégrant des calculs de récession différenciée de surface, de transport d’espèce, de mécanique des fluides et de thermique. Ces calculs seront menés en 3D sur un échantillon représentatif du matériau ; une approche par changement d’échelle sera envisagée pour transposer les résultats à diverses conditions d’essais.

Préparation de protocoles expérimentaux représentatifs sur divers moyens à Haut Flux (torches à plasma et four à image d’arc sous diverses atmosphères contrôlées).

Identification du comportement des constituants séparés : fibre, fil, matrice.

Validation de l’approche par restitution d’une expérience à l’échelle du composite alimentée par une modélisation utilisant les données extraites des essais sur constituants séparés.

Directeur de thèse et école doctorale : G.L. VIGNOLES Ecole doctorale des sciences chimiques (EDSC) Bordeaux I

Contact : J.F. EPHERRE – CEA/CESTA

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : BDIE

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116/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 117/130

 

MMééccaanniiqquuee

CESTA

Le RIPAULT VALDUC

ILE DE FRANCE

GRAMAT

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118/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Sujet :

Influence de l’activation plastique lors d’une transformation de phase martensitique, modélisation et expérience en enclume de diamant

Exposé du sujet :

Influence de l'activation plastique lors d'une transformation de phase martensitique, modélisation et expérience en enclume de diamant. Les changements de phase martensitiques peuvent être profondément modifiés par l'activation de la plasticité. Le but de cette thèse est d'en comprendre et d'en modéliser les principaux mécanismes. Nous considérerons une transformation isostructurale (cfc->cfc) du cérium sous pression. Etudiée récemment en presse à enclumes de diamant [1], et reproduite par calculs ab initio [2], cette transformation a l'avantage de conserver les mêmes systèmes de glissement plastique tout au long du changement de phase, simplifiant ainsi le couplage. Les modèles envisagés pour ce couplage sont la plasticité polycristalline et une modélisation des transformations de phase par chemin de réaction ([3] (voir également le sujet détaillé ci-après). La compréhension de cette transformation nécessite un important dialogue entre simulations et expériences en enclumes de diamant, dont certaines pourront être complétées par le doctorant. [1] Decremps, F, et al, PRL, 106, 065701, (2011) [2] Amadon A., et al, PRL, 96, 066402 (2006) [3] Denoual C. et al, PRL, 105, 035703 (2010)

Directeur de thèse et école doctorale : Frédéric Decremps [email protected] Université Paris VI - 01 44 27 45 16 Contact : Christophe Denoual - [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01.69.26.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Mécanique

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 119/130

Sujet :

Modélisation de la rupture de structures en béton armé par une approche éléments discrets

Contexte : La modélisation fine des structures en béton armé, poutres ou plaques, renforcées ou non, est un sujet ancien et intéressant pour plusieurs raisons. De par sa nature, le béton résiste bien en compression et presque pas du tout en traction et il est hétérogène. L’insertion d’armatures longitudinales et de cadres transversaux modifie complètement le comportement de la poutre en lui donnant une ductilité globale et une plus grande résistance. Ce sujet représente un grand défi pour le modélisateur. A titre d’exemple, dans les poutres en béton armé renforcées par des plats en composite collés sur la face inférieure de la poutre, la couche de béton située entre l’armature et le renfort ne fait que quelques diamètres de grains d’épaisseur. C’est pourtant elle qui cède souvent la première à cause d’une concentration de contrainte élevée en bout de poutre (peeling off).

Afin de pouvoir mieux appréhender certains risques environnementaux, le Laboratoire de Détection et de Géophysique (CEA) a développé un code aux éléments discrets qui permet de modéliser les glissements de terrain, les ruptures et les effondrements de structures soumises à des impacts ou des explosions. Cette méthode numérique permet d’avoir une nouvelle approche de la fracturation plus facile à développer numériquement qui ouvre de nouvelles perspectives avec le développement des super calculateurs.

Un stage a montré la pertinence de cette modélisation lors d’une première étude en 2D sur la simulation de la rupture des poutres en béton armé renforcées. En effet, le scénario de rupture a été bien reproduit et l’effet qualitatif des différents paramètres (épaisseur, raideur,…) sur ce scénario a été bien appréhendé. Il n’en demeure pas moins qu’il reste beaucoup de travail à faire pour aboutir à des prédictions quantitatives.

Objectif de la thèse : Nous souhaitons à travers cette thèse approfondir les capacités de cette méthode discrète dans la modélisation de la fracturation d’éléments de structure ou de bâtiments en béton armé afin de pouvoir progresser dans l’analyse de la rupture en statique ou dans le domaine du comportement sous séisme.

Ce sujet est original par le développement d’une nouvelle approche numérique. Nous pourrons également valider cette approche par des comparaisons à de nombreuses expériences sur la rupture de structures en statique ou sous sollicitation sismique.

Déroulement de la thèse : Les principales étapes de la thèse sont les suivantes :

- développement d’une méthode d’intégration des ferraillages pour la modélisation des structures en béton armé ; - adaptation de la loi de comportement pour la traction ductile des métaux ; - développement d’un schéma numérique dit « statique » pour la modélisation des ruptures sous contraintes

statiques (par exemple, rupture de poutre en flexion lente) ; - validation des approches sur des expériences en statique ou en sismique (par exemple : essais sur table

vibrante) ; - publications, congrès, rédaction du mémoire.

L’accès au supercalculateur du projet TERA est un des moyens importants pour la réussite de cette thèse.

Ce sujet nécessite des compétences en numérique, analyse numérique, mécanique des matériaux…Il nécessite également une capacité à interagir avec différents experts de ces domaines.

Directeurs de thèse : Karam SAB (ENPC/LAMI), Christian MARIOTTI (CEA)

Contact : Christian MARIOTTI – [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01.69.26.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Mécanique

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120/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Sujet :

Etudes et modélisation de zones de mélange instables et soumises à des déformations par un modèle EDQNM

Contexte :

La dynamique des mélanges turbulents aux interfaces comporte des mécanismes physiques dont la compréhension reste incertaine, la simulation directe encore inaccessible et la modélisation délicate. Une première raison à ces difficultés tient à l’évolution rapide des zones de mélange turbulentes (dans un régime dit de distorsion rapide « RDT ») provoquée par les gradients intenses de l’écoulement moyen (accélération et cisaillement). En effet, les modèles de turbulence usuels sont calibrés sous une hypothèse de quasi-équilibre spectral, précisément mise en défaut dans ces régimes RDT. Une seconde origine de ces difficultés provient du couplage non-linéaire entre les effets de stratification et ceux de déformation, pouvant provoquer des phénomènes contre-intuitifs (inversion du flux de masse, de l’anisotropie du champ de vitesse…).

Objectif de la thèse :

L’objectif de la thèse consiste à étendre les méthodes théoriques développées par C. Cambon (c.f. livre Homogeneous Turbulence Dynamics, P. Sagaut et C. Cambon) à des configurations stratifiées instables (représentatives de l’instabilité de Rayleigh-Taylor) couplées à des déformations (instabilité de Kelvin-Helmholtz pour le cas particulier du cisaillement).

Plus précisément, la méthodologie envisagée pour prédire et étudier cette turbulence sera basée sur une analyse détaillée des transferts d’énergie inter-échelles, cinétique et potentielle, en utilisant notamment un modèle statistique EDQNM (Eddy Damping Quasi Markovian approximation) adapté à la symétrie de révolution. Des simulations numériques directes (SND, code existant et validé) de type pseudo-spectral seront également réalisées, avec un post-traitement original dédié aux transferts directionnels et inter-échelles. Elles contribueront à valider, à nombre de Reynolds faible et modéré, les fermetures EDQNM qui permettent de prolonger l’analyse à des grands nombres de Reynolds, inaccessibles aux SND.

Déroulement de la thèse : CEA DIF + Centrale Lyon

Directeur de thèse et école doctorale : C.Cambon - [email protected] LMFA, Ecole Centrale Lyon, école doctorale MEGA

Contact : B-J. Gréa - [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01.69.26.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Mécanique

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 121/130

 

 

Sujet :

Etude de la stabilité des structures sous chargement impulsionnel

Contexte : Les phénomènes d’instabilité et de localisation de la déformation dans les structures au comportement élasto-plastique (flambement de barres ou de plaques en compression, striction dans les plaques en traction ou les coques en expansion…) sont bien traités dans le cas de chargements quasi-statiques ou lentement dynamiques. Les analyses linéaire ou faiblement non-linéaire de stabilité, à coefficients constants ou dépendant faiblement du temps, permettent de calculer les modes propres d’instabilités susceptibles de se développer dans la structure à chaque instant tant qu’ils restent de faible amplitude et à la condition que le chargement moyen puisse être considéré comme figé pendant leur phase de croissance : on parle d’hypothèse de « découplage des échelles de temps » (D.E.T.).

En revanche, les analyses à D.E.T. ne peuvent plus s’appliquer pour des chargements dynamiques lorsque les temps caractéristiques de variation du chargement moyen et de croissance des instabilités sont du même ordre. Il faut alors recourir à d’autres méthodes d’analyse.

Objectif de la thèse : Au cours de cette thèse, on propose de s’intéresser aux instabilités des structures et des solides sollicités dans des conditions telles que les modes d’instabilité se développent à des vitesses comparables à la vitesse de la solution principale : on s’attachera au cas de structures soumises à des chargements impulsionnels.

Déroulement de la thèse : Le formalisme mathématique à mettre en œuvre pour caractériser les conditions d’apparition et la forme des instabilités sera identifié avec l’aide de l’encadrant ; on pourra s’inspirer entre autres des méthodes proposées dans la littérature concernant la stabilité des propagations d’ondes.

On l’appliquera à des géométries suffisamment simples qui restent à définir : flambement en compression ou striction en traction d’une barre sous chargement impulsionnel, striction d’une enveloppe cylindrique ou sphérique en expansion sous l’effet d’une onde de pression… Pour chacune d’elles, on s’efforcera de mettre en évidence l’influence sur la forme et la vitesse de développement des instabilités des différents paramètres caractérisant la géométrie de la structure, les caractéristiques du chargement ainsi que le comportement du matériau.

On pourra ensuite appliquer les résultats à l’interprétation d’expériences simples de type expansion d’anneaux ou traction d’éprouvettes pour lesquelles les instabilités apparaissent alors que l’écoulement moyen évolue rapidement.

Directeur de thèse et école doctorale : Nicolas TRIANTAFYLLIDIS L.M.S., Ecole Polytechnique Ecole Doctorale de l’Ecole Polytechnique

Contact : Jean-Lin DEQUIEDT - [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01.69.26.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Mécanique

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122/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

 

 

Sujet :

Analyse de stabilité linéaire d'écoulements d'ablation en fusion par confinement inertiel

Contexte : La fusion par confinement inertiel (FCI) vise à produire de l'énergie à partir de réactions nucléaires de fusion entre éléments légers. Un des procédés envisagés pour obtenir les hautes densités et températures nécessaires au déclenchement des réactions de fusion, est d'imploser un micro-ballon, rempli d'un mélange fusible, au moyen d'un rayonnement intense. Au cours de ce processus, plusieurs instabilités hydrodynamiques perturbent l'écoulement et peuvent empêcher l'inflammation. L’instabilité de l'écoulement d'onde thermique qui prévaut initialement lors de l'interaction du rayonnement avec la coquille du micro-ballon, en fait partie. Le principal défi posé par l'étude de cette instabilité tient au caractère instationnaire, compressible et confiné de l'écoulement. Cependant une telle étude peut être menée à l'aide de solutions auto-semblables des équations d'Euler avec conduction de chaleur non linéaire (Clarisse et alii, J. Fluid Mech. 2008).

Objectif de la thèse : Ce sujet s'inscrit dans un effort à moyen terme visant à une meilleure compréhension des instabilités hydrodynamiques se développant lors de la phase initiale de l'éclairement d'un micro-ballon en FCI. Ces instabilités constituent un facteur limitant, important à maîtriser pour assurer le succès de la FCI, comme le confirme les dernières expériences américaines (NIF). Le caractère instationnaire, compressible et stratifié des écoulements associés impose une approche essentiellement numérique du problème : l'approche stationnaire et quasi-incompressible – beaucoup plus facile – n'éclaire pas vraiment les comportements réels. L'approche suivie, développée au cours de thèses précédentes et qui n'a pas d'équivalent dans le domaine, utilise des solutions auto-semblables des équations de la mécanique des fluides non-visqueux, compressibles avec conduction de chaleur non-linéaire comme écoulements modèles (Boudesocque-Dubois et alii, J. Fluid Mech. 2008). La nécessité de décrire précisément les différents phénomènes physiques – notamment de type acoustique – a conduit au choix d'une méthode à haute résolution (méthode Chebyshev auto-adaptative) pour calculer ces solutions et leurs perturbations linéaires (Boudesocque-Dubois et alii, J. Comp. Phys. 2003 et 2012). La thèse proposée utilisera une sélection (sur la base de résultats de simulations « multi-physiques ») de solutions auto-semblables représentatives d'écoulements d’ablation en attaque indirecte – i.e. pour un rayonnement X. Le cœur de l'étude consistera à analyser les réponses en perturbations linéaires de ces solutions obtenues avec l'outil numérique à haute résolution existant, afin de mettre en exergue les mécanismes clés à l'œuvre dans ces écoulements : effets instationnaires, de compressibilité, de confinement, production de vorticité, acoustique. Ce travail s'appuiera sur une analyse en modes de Kovásznay déjà élaborée (Lombard et alii, EPL 2008) et que l'on souhaite affiner et compléter.

Déroulement de la thèse : La thèse se déroulera sur le centre CEA/DAM Ile-de-France à Bruyères-le-Châtel. Elle comprendra dans un premier temps un travail théorique de reformulation des équations d’évolution des modes linéaires de Kovásznay et leur implantation dans l’outil numérique à haute précision (langage FORTRAN 90). Il s’agira ensuite d’exploiter des résultats de perturbations linéaires de différents écoulements à la lumière de cette analyse en modes de Kovásznay afin d’identifier les différents mécanismes d’amplification, d’amortissement et de couplage des perturbations selon les zones des écoulements. Un des objectifs de ce travail sera la rédaction d’un article de synthèse au terme de la seconde année de thèse. Tout au long de ce travail d’autres pistes d’analyse pourraient être proposées, certaines pouvant être explorées dans le temps restant.

Directeur de thèse : Serge GAUTHIER – [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01.69.26.40.00

Contact : Jean-Marie CLARISSE – [email protected] CEA/DAM Ile-de-France – 01.69.26.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Mécanique

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 123/130

Mécanique

Sujet :

Allumage mécanique des compositions explosives à l'octogène : observations microstructurales en temps réel et simulations associées Contexte : Lors de l'impact de structures pyrotechniques, l'énergie mécanique est dissipée notamment par la compression et la déformation de l'explosif. En fonction de la composition du matériau, cette énergie se localise en des sites appelés « points chauds ». La nature de ces points chauds et donc le mécanisme de leur formation est encore actuellement mal connu. Si dans le domaine des grandes vitesses de déformation et des hautes pressions (chocs), le modèle d’effondrement viscoplastique de pore a été largement étudié et semble actuellement le seul apte à reproduire les expériences, aucune validation expérimentale n’a pu être réalisée à l’échelle de la microstructure. Le domaine des impacts d’intensité modérée reste lui aussi inexploré. Quelques auteurs ont identifié plus particulièrement les mécanismes d’échauffement par frottement entre les lèvres des microfissures ou bien le mécanisme d’échauffement adiabatique dans des bandes de cisaillement. Les études post-mortem d'échantillons ont récemment permis de progresser dans la compréhension des mécanismes de déformation d'une composition constituée à 100% d'octogène. Le rôle combiné du confinement et de la vitesse de déformation permettent, en fonction des régimes, soit de favoriser l’endommagement par microfissuration, soit la déformation plastique de la charge cristalline. Par contre, les interprétations restent difficiles car les échantillons subissent une histoire de chargement complexe rendant souvent impossible la détermination du scénario temporel. Plus récemment, nous avons développé un premier dispositif optique permettant d'observer en temps réel l'évolution de la microstructure (formation des bandes de cisaillement, propagation des microfissures) à la surface d’un échantillon centimétrique. Une solution optique a été trouvée pour recueillir des premières images mais elle ne peut être employée que pour des chargements à vitesse de déformation de l'ordre de 10-5 à 1 s-1 quand nous avons besoin d’atteindre 1000 à 10000 s-1. Parallèlement, nous développons une démarche de simulation à l'échelle microstructurale. Ces travaux numériques permettent une comparaison directe entre calcul et expérience. On observe par exemple l’évolution et l’influence du comportement de la matrice avec le confinement et la localisation des échauffements les plus forts. Par contre, la vitesse de déformation perd de l’influence au gré de l’accroissement de la pression. Toutefois, ces simulations sont 2D et limitées pour l'instant à des comportements isotropes sans endommagement ni rupture.

explosion d’une cible contenant un explosif, impactée par un projectile en acier.

localisation des échauffements au sein du matériau (vert) en fonction du comportement de la matrice.

Objectif de la thèse : L’objectif de la thèse est d’étudier comment se localise la dissipation au sein de la microstructure d’un explosif composite.

Déroulement de la thèse : Plusieurs axes de recherche seront poursuivis : • Développer une modélisation optique du système de visualisation pour optimiser la qualité des images.

Ensuite, nous pourrons mettre en œuvre les méthodes de corrélations d’image pour mesurer les champs de déplacement à l’échelle de la microstructure.

• Poursuivre la démarche de simulation vers des calculs 3D (utilisation de TERA100) L’effet des interactions granulaires hors plan d’observation devra être pris en compte.

• Etudier dans ce contexte un matériau mixte TATB/HMX pour lequel la charge de TATB est plus ductile que le HMX. Les efforts et déplacements transmis aux cristaux de HMX seront donc différents.

Le candidat devra rendre compte de l'avancée de ses travaux devant les responsables. Il devra communiquer les résultats pertinents obtenus lors de congrès nationaux et internationaux, ainsi que dans des revues spécialisées à comité de lecture.

Directeurs de thèse et école doctorale : D. Picart (CEA) et P. Bailly (Université d’Orléans)

Contact : [email protected] - CEA/Le Ripault - 02.47.34.40.00

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124/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Mécanique

Sujet :

Etude expérimentale et modélisation du comportement et de la rupture des soudures homogènes TA6V/TA6V : mécanismes à t0 et dans le temps

Contexte :

Cette thèse s’inscrit dans le développement d’une chaîne de simulation du soudage permettant de prédire le dimensionnement mécano fiabiliste des structures en partant de la simulation du procédé (Thématique du Laboratoire de Recherche Correspondant CEA/UTT). Dans cette démarche globale, un point clé de la démonstration réside dans la caractérisation et l’identification du comportement et des mécanismes de rupture du joint soudé homogène TA6V/TA6V. Ce sujet global et ce dernier point en particulier concerne des problématiques du CEA mais est également au cœur des problématiques industrielles.

Objectif de la thèse :

A la suite de l’opération de soudage, différentes microstructures sont présentes dans le joint soudé et conduisent à une hétérogénéité notable de comportement entre Zone Fondue (ZF), Zone Affectée Thermiquement (ZAT) et Matériau de Base (MB). L’objectif de cette étude est la prise en compte de cette hétérogénéité tant d'un point de vue de la plasticité que de l'endommagement. L'étude de la ruine de structures soudées TA6V/TA6V mène naturellement à l'introduction de différents mécanismes d'endommagement en fonction de ces zones et éventuellement à l'introduction d'endommagement à plusieurs échelles afin de prendre en compte ces différentes microstructures (morphologie, distribution). La description de la rupture par des méthodes locales telle que la mécanique de l'endommagement s’appuie sur la connaissance de l'état local des contraintes ainsi que sur celle des contraintes résiduelles dues au soudage. Ces contraintes résiduelles peuvent être introduites comme données d'entrée de la simulation afin de voir l'impact sur la ruine des structures lorsqu’elles s’ajoutent au chargement en service ou bien sont le moteur principal de la rupture sous critique (disparition du seuil de fissuration à fort Kmax, rupture différée).

Différentes équipes s’intéressent à l’étude du comportement du TA6V et à la mise en avant des différents mécanismes de plasticité au sein de ce duplex sous sollicitations monotones ou en fatigue [Zaefferer, 2003], [Bridier et al., 2005], [Bridier et al., 2008]. Les structures cristallines diverses ainsi que les microstructures très variées impactent non seulement l’activité plastique d’une phase dans son environnement mais aussi l’endommagement, de son initiation jusqu’à la propagation de la rupture macroscopique. Ce point est primordial afin d’aborder solidement la problématique de la rupture différée vraisemblablement imputable à l’interaction dislocations vis/interstitiels ainsi qu’à l’écrantage de ces interactions par l’hydrogène [Sofronis et al., 1995].

Dans le cadre de cette étude, nous nous limiterons aux aspects expérimentaux et numériques nécessaires à la simulation de la rupture (qu’elle soit critique ou sous critique) sous sollicitation monotone. Un travail primordial d’identification des mécanismes de plasticité et de rupture à l’échelle microstructurale est nécessaire. Ce travail permettra de justifier les ingrédients de la modélisation et d’alimenter une loi de comportement couplée plasticité/endommagement pour un matériau multi-phasé [Zhang et al., 2007], [Bridier et al., 2009].

Au terme de ces travaux, le modèle ainsi développé devra être validé. Cette validation passe par la sollicitation jusqu’à rupture d’une structure soudée et instrumentée.

Déroulement de la thèse : Cette thèse se déroulera dans le cadre du LRC COSINUS entre l’ICD/LASMIS de l’UTT et le CEA/Valduc. Une collaboration avec l’INPL est pressentie concernant l’étude métallurgique du TA6V. Le doctorant sera positionné à la fois à l’Université de Technologie de Troyes et au CEA/Valduc ce qui permettra un échange étroit entre l’universitaire et l’industriel. De plus, DCNS Research sera probablement partie prenante de l’étude. De même, il sera probablement important d’établir une synergie avec certains travaux qui vont être lancés dans le cadre de l’Association Française du Titane dans laquelle le CEA/VALDUC est partie prenante.

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 125/130

Références :

[Bridier et al., 2009] Bridier F., McDowell D.L., Villechaise P., et Mendez J. (2009). Crystal plasticity modeling of slip activity in Ti-6Al-4V under high cycle fatigue loading. International Journal of Plasticity, vol. 25, pp 1066–1082.

[Bridier et al., 2005] Bridier F., Villechaise P., et Mendez J. (2005). Analysis of the different slip systems activated by tension in α/β titanium alloy in relation with local crystallographic orientation. Acta Materialia, vol. 53, pp 555–567.

[Bridier et al., 2008] Bridier F., Villechaise P., et Mendez J. (2008). Slip and fatigue crack formation processes in an α/β titanium alloy in relation to crystallographic texture on different scales. Acta Materialia, vol. 56, pp 3951–3962.

[Sofronis et al., 1995] Sofronis P., Birnbaum H.K. (1995) , Mechanics of the hydrogen-dislocation-impurity interactions, Journal of Mechanics and Physics of Solids, vol. 43-1, pp 49-90

[Zaefferer, 2003] Zaefferer S. (2003). A study of active deformation systems in titanium alloys dependence on alloy composition and correlation with deformation texture. Materials Science and Engineering, vol. A344, pp 20–30.

[Zhang et al., 2007] Zhang M., Zhang J., et McDowell D.L. (2007). Microstructure-based crystal plasticity modelling of cyclic deformation of Ti-6Al-4V. International Journal of Plasticity, vol. 23, pp 1328–1348.

Directeur de thèse et école doctorale : Benoit Panicaud, UTT

Contact : Thomas Paris – CEA/Valduc - 03.80.23.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-12-13-

Cofinancement : un cofinancement est à l’étude avec un ou plusieurs partenaires de l’association « titane ». 

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126/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Mécanique

Sujet :

Etude de la durabilité d’une surface usinée en fonction des paramètres du procédé Contexte : L’usinage par enlèvement de matière est un procédé sévère en termes de sollicitations thermomécaniques. Les contraintes induites par la coupe se portent bien évidemment sur le copeau formé, mais aussi sur la surface usinée, ce qui est à même d’affecter l’intégrité de surface de la matière, tant au niveau géométrique, mécanique, métallurgique que physico-chimique. Le cuivre est un matériau dont l’usinage est rendu délicat par sa ductilité. Cette propriété engendre des problèmes liés à la séparation de matière au niveau de la pointe de l’outil, induisant des contraintes thermo-mécano-plastiques et/ou métallurgiques qui, bien que le cuivre soit monophasé, sont à l’origine de la dégradation de l’intégrité de surface. De plus, le besoin actuel de précision des composants mécaniques et l’exigence en termes de qualité de surface, imposent le recours au tournage de superfinition. Cette technique se caractérise par de faibles sections coupées en comparaison avec le procédé d’usinage standard et par rapport à la taille de grain du matériau. Il en résulte un effet d’échelle, tant au niveau géométrique de la coupe, qu’au niveau métallurgique par rapport au comportement du matériau. L’emploi du tournage de superfinition appliqué à un matériau ductile accroît donc les difficultés de séparation de matière et accroît également l’impact possible sur l’intégrité de surface. Par ailleurs, il a déjà été constaté que les propriétés de résistance à la corrosion des surfaces obtenues en tournage de superfinition peuvent être altérées en fonction des paramètres opératoires choisis lors de l’opération de coupe et de l’état de surface.

L’étude de l’impact des paramètres liés au procédé d’usinage sur les caractéristiques de la surface usinée est donc pertinente en vue de garantir une durabilité des pièces dans leur environnement, tant des points de vue mécanique (fatigue, usure, …) que physico-chimique (corrosion). Souvent étudiés séparément, tant au CEA qu’à l’Université de Bourgogne et à Arts et Métiers Paris Tech Cluny, il s’agira cette fois-ci d’intégrer les deux approches.

Objectif de la thèse : Intégrer les deux approches pour établir un modèle global permettant de relier les paramètres « procédé d’usinage » au comportement mécanique et physico-chimique d’une surface de cuivre usinée.

Déroulement de la thèse : Cette thèse s’appuiera sur un corpus important de travaux : - les travaux précédents déjà réalisés au CEA, tant dans le domaine mécanique (thèse de D. Germain avec Arts

et Métiers Paris Tech) que dans celui de la corrosion (thèse de J. Gravier avec l’Université de Bourgogne) ; - les travaux méthodologiques menés à l’Université de Bourgogne sur la corrosion ; - les travaux réalisés par d’autres laboratoires (ENISE…). La thèse comprendra les étapes suivantes : - prise en compte des modèles développés, avec définition et réalisation des essais de tournage 3D ; en

particulier, ces essais devront permettre la mesure la plus directe et la plus précise possible de l’état mécanique de la surface usinée.

- modélisation de l’état métallurgique et mécanique après usinage, permettant de définir l’état de la surface usinée comme entrée de l’étape de corrosion.

- identification et quantification des phénomènes de corrosion en fonction des états de surface. Cette démarche intégrée aboutira à la quantification de la durabilité. Directeur de thèse et école doctorale : G. Poulachon (LaBoMaP-Arts et Métiers ParisTech) et V. Vignal (ICB-Université de Bourgogne). Ecole doctorale Carnot

Contact : Stéphanie BRETON – CEA/Valduc - 03.80.23.40.00

Référence INSTN : SL-DAM-12-13-

Cofinancement : Institut Carnot ARTS (avec participation LaBoMaP et ICB) 

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 127/130

Mécanique 

Sujet :

Obtention par dynamique moléculaire de critères descriptifs d’endommagement (en particulier fissuration de grains fragiles et décohésion grains polycristallins/matrice) de matériaux énergétiques composites, utilisables dans des hydrocodes

Contexte : Connaissance du comportement mécanique des matériaux énergétiques de Défense, dans le but de prédire leur transition réactive sous agression.

Objectif de la thèse : Acquérir la maîtrise des mécanismes du comportement des explosifs sous sollicitations mécaniques.

Déroulement de la thèse : L’étude des transitions vers la réaction de matériaux énergétiques sous chargement de faible intensité nécessite la prise en compte explicite du comportement à l’échelle microscopique. Ces matériaux sont majoritairement constitués d’une ou plusieurs charges polycristallines (grains fragiles) dans un liant polymère (comportement visco-hyperélastique).

La DNS de microstructures réelles est à notre portée, mais deux inconnues subsistent : d’une part le comportement de la liaison grains / matrice (un des modes d’endommagement étant la décohésion à cette interface) et d’autre part la fissuration intragranulaire (autre mode observé expérimentalement).

La méthode d’étude privilégiée est l’approche « dynamique moléculaire », en gardant à l’esprit que le but est de pouvoir intégrer des critères dérivés de cette approche dans un code de calcul « classique » (Ouranos, Abaqus…).

Dans la première partie de la thèse, l’étudiant recueillera les données disponibles sur les charges polycristallines (ex : perchlorate d’ammonium, RDX…) et les liants principalement utilisés (ex : polybutadiène…) dans les formulations de matériaux énergétiques solides. Il devra ensuite identifier la nature et l’intensité des chargements (contraintes, vitesses de déformations) à l’échelle locale, connaissant les chargements macroscopiques appliqués.

Le corps de la thèse consistera à établir les critères d’endommagement par dynamique moléculaire, à la fois pour des grains isolés (fissuration), plusieurs grains au contact (fissuration) et un grain dans sa matrice polymère (a priori, décohésion).

La thèse se poursuivra par l’intégration de ces critères dans les hydrocodes, et des comparaisons expériences / calcul avant et après mise en place des critères d’endommagement. La partie expérimentale (platine de traction compression sous MEB, sous microtomographe…) pourra éventuellement faire partie de la thèse, ou bien être réalisée en interne CEA/Gramat selon les affinités du candidat pour les approches expérimentales.

Directeur de thèse et école doctorale : LMOPS, Université de Savoie

Contact : Emmanuel LAPÉBIE – CEA/Gramat – 05 65 10 54 32

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : Dans les thématiques DGA, contribue à « Explosions et Incendies : modélisation numérique, détonation, déflagration, sûreté de fonctionnement des munitions » du sous-thème « Propulsion et énergétique » dans le Domaine scientifique «Fluides, Structures».

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128/130 CEA/DAM Sujets de thèse 2013

Mécanique

Sujet :

Elaboration d'une méthode inverse pour la détermination probabiliste d’un terme source 1 – d’explosion ou 2 - de polluant, dans un environnement 3D, en prenant en compte les incertitudes de modélisation

Contexte :

Etude de la vulnérabilité d’un site industriel et de son environnement géographique (zones urbanisées, enjeux environnementaux…) et fonctionnel (tissu industriel), incluant les effets « dominos »

Objectif de la thèse :

Intégrer, en lien avec nos outils de simulation, des approches d’inversion pour l’analyse post-évènement (en particulier analyse d’une scène de crime ou d’accident impliquant 1 – une explosion ou 2 – une dispersion de toxique).

Déroulement de la thèse :

Dans une première partie, le candidat prendra en main les outils numériques destinés à effectuer les calculs directs de propagation d’onde de souffle d’une part et de dispersion brutale de toxiques d’autre part (outils envisagés : code HI2LO de la plateforme CHYMERE, code Ouranos, code de dispersion en milieu urbain UDM…).

Le cœur de la thèse visera à sélectionner et tester des méthodes d’inversion adaptées aux deux problématiques : propagation d’une onde de choc aérienne (l’observable étant l’état d’endommagement des façades) et dispersion brutale de toxique (l’observable pouvant alors être la concentration maximale détectée, ou la dose déposée localement).

La thèse devra conclure en proposant des méthodes d’inversion adaptées et en statuant sur leur fiabilité compte tenu des incertitudes de mesure (observables) et de modélisation (phénomènes non déterministes).

Directeur de thèse et école doctorale : GET, Groupe des écoles de télécommunications ou labo. INRIA-CLIME.

Contact : Emmanuel LAPÉBIE – CEA/Gramat – 06 65 10 54 32

Référence INSTN : SL-DAM-13-

Cofinancement : Dans les thématiques DGA, contribue à « Méthodes numérique pour les écoulements complexes » du sous-thème « Physique et Mécanique des Fluides » dans le Domaine scientifique «Fluides, Structures». Dans le Domaine scientifique « Matériaux – Chimie - Energie », contribue à la fois au sous-thème « Matériaux sous sollicitations mécaniques sévères » et au sous-thème « Matériaux énergétiques » (Comportement et amélioration des performances et propriétés de matériaux énergétiques pour la propulsion et la pyrotechnie).

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Sujets de thèse 2013 CEA/DAM 129/130

Mécanique

Sujet :

Etude de la compaction sous choc de matériaux poreux : Expériences et modélisation

Contexte :

Les matériaux poreux trouvent de nombreuses applications industrielles en tant qu’isolant thermique, matériau de structuration ou atténuateur de choc. Le Centre d’Etudes Scientifiques et Techniques d’Aquitaine (CESTA) s’intéresse tout particulièrement à la réponse sous choc de structures comportant des matériaux poreux à base de polymères (polyuréthane, résine époxyde), de métaux (aluminium) ou de céramiques (alumine). Les sollicitations étudiées sont caractérisées par des vitesses de déformation allant de 103 à 107 s-1 et des durées d’impulsions comprises entre 1 ns et 1 µs.

Objectif de la thèse :

Ce travail de thèse consiste à progresser dans la compréhension des mécanismes de compaction face à ces impulsions ultra-brèves. Il s’agit dans un premier temps d’acquérir des données expérimentales pertinentes à l’aide des moyens expérimentaux disponibles (lanceurs à gaz, machines de haute puissance pulsée, laser) au CEA et à l’institut P’. Les résultats obtenus serviront ensuite à l’élaboration de lois de comportement aux échelles mésoscopiques et macroscopiques pour les différents matériaux poreux testés. Une fois validés les outils de modélisation numérique seront utilisés pour effectuer des analyses paramétriques en vue de l’optimisation des performances de ces matériaux (caractéristiques des pores, choix de la matière pour le squelette).

Déroulement de la thèse :

Le thésard travaillera au sein d’une équipe d’ingénieurs-chercheurs du CESTA, qui étudie le comportement dynamique des matériaux et des structures. Il aura accès aux moyens expérimentaux de dynamiques rapides (lanceurs, machines de haute puissance pulsée, laser) du CEA et de l’Institut P’ de Poitiers. Il sera amené à proposer et implanter des lois de comportement dynamique pour les matériaux poreux dans les codes du CEA. Son encadrement sera conjointement assuré par F. Malaise (CEA/CESTA) et Th. De Resseguier (Institut P’).

Directeur de thèse et école doctorale : Th. De Resseguier et M. Boustie Ecole doctorale Sciences et Ingénierie en Matériaux, Mécanique, Energétique et Aéronautique de Poitiers

Contact : F. Malaise – CEA/CESTA

Référence INSTN : SL-DAM-13-

 

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