thèses proposées au cea / dam · sujets de thèse 2010 cea dam 2 / 104 chaque année, le cea-dam...

Commissariat à l’énergie atomique Centre DAM Île de France – Direction scientifique – Bruyères‐le‐Châtel ‐ 91297 Arpajon Cedex Tél. : 33 – 01 69 26 79 64 ‐ Fax : 33 – 01 69 26 70 11 – [email protected] Etablissement public à caractère industriel et commercial R.C.S. PARIS B 775 685 019

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Sujets de thèse 2010 CEA DAM 2 / 104

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 CNRS, Régions, DGA, etc. Les thèses se déroulent dans les laboratoires du CEA-DAM (CEA DAM Ile de France en région parisienne près d'Arpajon, Le Ripault près de Tours, le CESTA près de Bordeaux et Valduc à proximité de Dijon) ou dans les unités mixtes de recherche dont le CEA-DAM est une tutelle (LULI, CELIA, LCTS, LEMA, etc.).

Les sujets proposés en 2010 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, nouvelles technologies pour l’énergie, mécanique des matériaux, métallurgie, etc.

Ce fascicule présente une sélection de sujets proposés pour 2010. Un contact téléphonique est indiqué pour chaque sujet, ainsi que la localisation de la thèse.

L’ensemble des sujets sera 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 seront 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

Décembre 2009

Crédits photo : CEA


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Les thématiques


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Atmosphère et géophysique

Sujet Exploitation de séries temporelles en interférométrie radar pour l’amélioration du suivi de déformations – Application à l'étude de déformations tectoniques

Contexte L’interférométrie radar est une technique d’imagerie satellitaire permettant de mesurer les déformations temporelles du sol dues par exemple à la tectonique (déformation le long d’une faille, affaissement) ou à des facteurs humains (déformations induites par des travaux par exemple). La thèse proposée a pour but d’améliorer les traitements de séries temporelles en interférométrie radar. Elle permettra d’exploiter des interférogrammes produits à partir d’images de différents capteurs en bande L, C et X et de fusionner les différentes informations. La thèse intègrera différents traitements d’interférométrie radar afin d’obtenir une méthode robuste de traitement de séries temporelles d’interférogrammes pour le suivi de déformations tectoniques. L’arrivée de nouveaux capteurs radar permet de produire un grand nombre d’interférogrammes dans différentes bandes de fréquence avec des résolutions (métrique en bande X, décamétrique en bandes C et L) et géométries d’acquisition différentes. Il n’existe pas pour l’instant de méthode systématique permettant d’exploiter conjointement ces données de nature différente. En effet, chaque bande radar a ses spécificités bien que certains traitements soient communs. Les interférogrammes sont pollués par du bruit atmosphérique (troposphérique et ionosphérique). Bien qu’il y ait eu des avancées dans la compensation des effets troposphériques présents dans les trois bandes, ce n’est pas le cas des effets ionosphériques, très importants en bande L. Une partie du sujet de thèse consistera donc à compenser ces effets en s’appuyant sur une modélisation physique de l’ionosphère et en particulier des variations du TEC (Total Electronic Content), responsable de ce bruit. Des approches de correction ionosphérique et troposphérique couplées fondées sur l’étude de corrélations entre interférogrammes devront également être testées. D’autre part, 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. La thèse permettra également de comparer les méthodes de production de séries temporelles telles que les « Permanent Scatterers » et les séries déroulées d’interférogrammes, d’étudier leur complémentarité et les améliorer.

Objectif de la thèse Cette thèse a pour objectif de développer une méthode de caractérisation des propriétés optiques des panaches industriels à partir de prises de vue hyper spectrales (aéroportées ou satellitaires) acquises dans le domaine [0,4-2,5 µm] et d'analyser l'apport de l'information infrarouge thermique [8-12 µm] dans l'amélioration de cette caractérisation.

Déroulement de la thèse La thèse sera articulée en trois volets. Dans un premier temps, une étude bibliographique sera menée concernant les différents types de méthodes de compensation de bruits en interférométrie radar (résidus orbitaux, effets atmosphériques) et d’obtention de séries temporelles. La physique de l’ionosphère sera également étudiée. Dans un second temps, la production d’interférogrammes et le traitement par « Permanent Scatterers » permettra d’obtenir des jeux de données sur différents contextes tectoniques à partir de différentes bandes. Enfin, des méthodes de correction de bruits interférométriques et de production de séries temporelles d’interférogrammes seront mises en place. La fusion des données des différents capteurs et des techniques d’obtention de séries temporelles permettra d’obtenir un suivi de la déformation beaucoup plus fin que ceux obtenus par le traitement d’un seul type de données radar. Les données utilisées seront celles des satellites ALOS (bande L), ERS et ENVISAT (bande C), TERRASAR et Cosmo-Skymed (bande X).

Le candidat travaillera dans une équipe comprenant des spécialistes de la télédétection, des informaticiens et des scientifiques de la Terre et participera aux discussions techniques et scientifiques. Le laboratoire TSE travaille dans le domaine de la télédétection spatiale depuis 1991. Le laboratoire travaille en étroite collaboration avec des géophysiciens spécialistes en sismotectonique : IPGP, Caltech, ENS, etc. Les thèmes de recherche liés à la télédétection sont : la mesure des déformations de terrain induites par les séismes (corrélation optique, interférométrie radar), la mesure des polluants atmosphériques (imagerie hyperspectrale), l’évaluation des dégâts. Le laboratoire est habitué à accueillir des stagiaires et des doctorants dans des conditions favorables au déroulement des travaux de recherche. Il a accueilli plusieurs thèses et CFA, et encadre actuellement deux personnes en thèse.

Directeur de thèse J.-P. Avouac (California Institute of Technology, Pasadena, CA, USA)

Contact Béatrice PINEL-PUYSSEGUR CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00



Sujet Détection et localisation à haute résolution des événements sismiques en temps quasi-réel

Contexte La localisation rapide de séismes est un problème complexe mais essentiel en sismologie opérationnelle. Les localisations haute-résolution obtenues grâce aux méthodes relatives (relocalisation relative par doubles-différences) s'appuyant sur des modèles de vitesse complexes montrent que les séismes tendent à s'aligner sur des plans tri-dimensionnels, matérialisant les failles actives. Ces techniques sont cependant inexploitables dans les conditions d'opération des réseaux de surveillance. Dans ce cadre, en effet, l'occurrence sporadique des séismes impose de les localiser individuellement ; en outre, ces techniques ne sont pas adaptées au traitement de données en flux continu.

Dans le cas de la localisation individuelle de séismes, la connaissance approximative du modèle de vitesse, la grande variabilité dans la lecture des temps d'arrivée et des phases sismiques qui y sont associées, même pour des sources situées dans une zone géographique commune, sont autant de facteurs tendant à dégrader la représentation de l'alignement éventuel des sources, masquant alors les zones de faille activées. Malgré des efforts constants et importants de compilation de bulletins sismiques de plusieurs milliers de séismes, l'imagerie systématique de ces zones de faille actives reste de qualité médiocre.

Forts de ce constat, nous souhaitons développer une procédure originale et modulaire, capable de traiter d'importants volumes de données continues de façon automatique. Dans cette optique, nous proposons le schéma suivant : (1) détection et localisation robuste suivant une méthode robuste basée sur la corrélation ; (2) pointé précis et étiquetage des phases à l'aide, par exemple, des techniques utilisant l'information de polarisation, l'intelligence artificielle, l'intercorrélation, etc. ; (3) localisation haute résolution de la source, à l'aide notamment des méthodes mentionnées plus tôt (relocalisation, mais également recherche sur grille non-linéaire ou globale) ; (4) estimation de la magnitude et du moment sismique par analyse des formes d'onde ; et (5) estimation du tenseur des moments, si possible. Il existe d'ores et déjà de nombreux codes susceptibles d'être utilisés dans les différents modules de ce schéma. L'objectif de cette thèse est donc de tester et d'évaluer rigoureusement ces différentes techniques disponibles, et de les combiner séquentiellement de façon cohérente et structurée.

La procédure ainsi obtenue sera appliquée à des données continues de différents réseaux sismiques, ainsi qu'à des jeux de données issus d'expériences temporaires, par l'intermédiaire des partenaires universitaires.

Objectif de la thèse

Cette thèse a pour principal objectif de développer une procédure de détection, de localisation et de caractérisation quasi-temps réel de séismes régionaux, à partir d'un ensemble de méthodes indépendantes développées séparément et d'une structure concrète définie par le projet. Dans cette optique, on appliquera cette procédure à d'importants flux de données sismologiques.

Déroulement de la thèse

La thèse sera articulée en deux parties principales : dans un premier temps, il s'agira de définir les méthodes les plus adéquates (aspects bibliographiques et pratiques), et de les implémenter dans la procédure de façon structurée. Dans un second temps, ladite procédure sera appliquée à différents jeux de données, et comparée aux outils opérationnels existants.

Ce travail sera effectué en collaboration directe avec Alessia Maggi (EOST) et Alberto Michelini (INGV, Rome), et amènera le candidat à présenter son travail aux acteurs de la surveillance sismologique par l'intermédiaire de congrès et de publications.

Directeur de thèse NC

Contact Jocelyn GUILBERT ou Pierre-François ROUX - CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00



Sujet Traitement d’antenne sismologique et polarisation : application aux ondes de surface et mesure de magnitude Ms bas niveau

Contexte Ce sujet se place dans la continuité des thèses portant sur le traitement d'antenne sismologique déjà effectuées au sein du Laboratoire de Géophysique Interne et Tectonophysique (LGIT) de Grenoble, du Laboratoire Image et Signaux (LIS) de Grenoble et du Laboratoire de Détection et de Géophysique (LDG) du CEA. 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 sont reconnus par la communauté scientifique et sont utilisés en traitements temps réel et interactifs au Centre International de Données à Vienne. Suite aux différents travaux déjà entrepris dans ce domaine, un groupe de recherche et de réflexion portant sur le traitement d'antenne trois composantes et regroupant des chercheurs du LGIT, du LIS et du LDG s'est mis en place. Ce groupe a décidé d’engager des travaux de recherche portant sur l'étude combinée de la polarisation et du traitement d'antenne qui permettraient d'ouvrir une voie de recherche nouvelle dans l'étude des champs d'ondes sismiques à distance régionale. Ce sujet novateur permettra au doctorant de tirer profit de l'expérience et des connaissances des trois laboratoires dans le domaine du traitement du signal, de la géophysique et du traitement d'antenne. La séparation des champs d'ondes sismiques est un domaine nouveau de la sismologie ouvrant sur des applications aussi importantes que l'évaluation du risque sismique (effets de site), la compréhension de la physique de la source ainsi que la discrimination. Actuellement les deux techniques - complémentaires - d'analyse des champs d'onde sont les traitements d'antenne et la séparation par polarisation: - Les antennes de capteurs sismiques, associées aux traitements haute résolution sont à l'heure actuelle les outils les plus adaptés à l'étude des ondes sismiques. Ces méthodes permettent en particulier de proposer une description continue des champs d'onde, - La polarisation des ondes étudiées en utilisant des capteurs à 3 composantes est un autre outil performant visant les mêmes buts.

Objectif de la thèse L'objectif de cette thèse est de réunir ces deux approches en un même outil basé sur les techniques les plus performantes dans ces deux domaines (statistiques d'ordre supérieur, quaternions, méthodes haute résolution, etc.). Une stratégie de validation détaillée de la méthode basée sur des données synthétiques puis des données réelles sera une partie importante de la thèse. Les ondes de surface (Rayleigh et Love) présentent des caractéristiques intéressantes pour initialiser ce travail de recherche et l’appliquer sur des données réelles. L’application au réseau dense de capteurs large-bande de Mongolie devrait permettre de caractériser l’amélioration de la détection et de la caractérisation des trains d’ondes de surface vis-à-vis des bulletins mondiaux de sismicité mais aussi par rapport à la détectabilité d’une approche par « beam » ou corrélation. 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 trois composantes d’une campagne d’expérimentation menée en Mongolie en 2007. Il effectuera en parallèle une étude bibliographique poussée de différentes approches actuellement opérationnelles 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. Ces développements méthodologiques seront intégrés à un code de traitement interactif permettant de comparer l'efficacité de séparation des différents algorithmes. Les travaux du doctorant se termineront par la rédaction du mémoire de thèse et la préparation de un ou deux articles de rang A.

Directeur de thèse Université Joseph Fourier de Grenoble/INPG : Jérôme MARS Université Nice, Sophia-Antipolis : Stéphane GAFFET

Contact Jocelyn GUILBERT ou Olivier SEBE - CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00


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Sujet Résines polyepoxydes nanostructurées aux propriétés d’adhésion et à la tenue au vieillissement améliorée

Contexte Les résines polyépoxydes, utilisées dans de très nombreux domaines (consommation mondiale supérieure à un million de tonnes en 2006) en tant que revêtements ou adhésifs, sont reconnues pour leur excellente résistance aux solvants, leur bonne stabilité dimensionnelle et thermique et leur haute résistance électrique. En tant que joint de colle, grâce à des propriétés d’adhérence particulièrement significatives, on les retrouve principalement dans des applications structurales en raison d’un module généralement élevé leur conférant une résistance mécanique adaptée à ce type d’applications. Il a été démontré que ces résines pouvaient développer des propriétés nouvelles grâce à la présence de pourcentage variable de copolymères à blocs (PEO-b-PEP, PEO-b-PPO et P2VP-b-PI), entre autres. Contrairement à l’ajout d’homopolymères qui conduisent à une macro-séparation de phase (exemple de l’ajout de nodules de CTBN pour augmenter la ténacité), l’addition de copolymères à blocs conduit plutôt à des organisations aux toutes petites échelles à condition que l’on respecte des critères de solubilité, dans le mélange réactionnel précurseur de la résine époxyde, puis de miscibilité avec la matrice époxyde. L’ingénierie macromoléculaire permet aujourd’hui le contrôle des architectures macromoléculaires et permet l’élaboration de copolymères à blocs qui présentent des structures et des compositions contrôlées capables de répondre aux critères précédents. Par exemple, des résines polyépoxydes offrent une ténacité améliorée en raison des nano-domaines de copolymères. Objectif de la thèse Le sujet de thèse proposé vise à étudier le comportement de nouvelles formulations polyépoxydes associées à des copolymères à blocs pour mieux comprendre :

- les propriétés d’adhésion en fonction de la manière dont les copolymères à blocs vont se nano-structurer au niveau des interfaces,

- les propriétés de telles interfaces en termes de vieillissement hydrolytique, notamment en fonction de leur organisation aux toutes petites échelles. Nous avons ciblé des copolymères à blocs amphiphiles qui peuvent présenter des comportements originaux, notamment par rapport à leur capacité à absorber l’eau qui peut se concentrer dans l’interface joint-substrat. Les données expérimentales doivent nous permettre d’accéder à des modèles de comportement de propriétés d’adhésion ou de tenue au vieillissement hydrolytique.

Déroulement de la thèse Les compétences requises pour mener à bien ce travail de thèse couvrent le domaine de la chimie et de la physico-chimie des polymères. Le doctorant sera basé au CEA Le Ripault, près de Tours, et passera éventuellement de courtes périodes dans les laboratoires associés à ce travail (ENSCPB/LCPO – Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques et INSA lyon). L’encadrement universitaire sera assuré par Eric Papon, Professeur à l’ENSCPB, dans l’Ecole Doctorale des Sciences Chimiques de l’Université Bordeaux 1, en co-tutelle avec Jean-François Gérard, Professeur à l’INSA Lyon. Les travaux de thèse se déclinent comme suit : Une première étape de formulation consistera à adapter dans le cadre du collage structural, les concepts de nanostructuration développés par le LCPO et Arkema (copolymères nanostrengh©) pour l’obtention de collage instantané (tack). On analysera en particulier les conditions pouvant amener à l’organisation des copolymères blocs à l’interface substrat / adhésif en fonction de la nature chimique des blocs. Dans un deuxième temps, nous chercherons à étudier l’influence de la nanostructuration sur les propriétés de tenue au vieillissement hydrique. Cette phase nécessitera d’aborder la caractérisation mécanique des phénomènes d’interface. Il s'agit principalement des techniques telles que le test ARCAN développé par Cognard et al (IFREMER). Ce dispositif, adapté aux machines de traction universelles, permet de combiner les composantes de traction ou de compression aux composantes de cisaillement. Cette technique rend compte des différentes sollicitations pouvant être appliquées à une liaison. Enfin, la formulation d'adhésifs autoréparables sera abordée. Il s'agit de compositions adhésives comprenant un durcisseur sous forme encapsulée, libéré en cas de propagation de fissure dans le matériau. La compatibilité de ce type de solution avec les formulations précédemment étudiées sera évaluée.

Directeur de thèse Eric PAPON (ENSCPB/LCPO) – Jean François GERARD (INSA Lyon) Contact CEA DAM Le Ripault, Jean-Félix SALAS 02 47 34 40 00

Chimie analytique


Sujet Synthèse de nouvelles molécules en tant que composés bioactifs ou énergétiques.

Contexte Les molécules aromatiques azotées peuvent trouver de nombreuses applications. Au CEA Le Ripault, des molécules tricycliques ont été étudiées dans le but d’accéder à des structures possédant des propriétés énergétiques. Les domaines d’application visés sont la propulsion, les airbags et les explosifs insensibles. Des résultats intéressants ont été obtenus, avec la synthèse de nouvelles structures fortement azotées. L’originalité de ces structures nous amène à poursuivre les efforts dans la recherche de composés énergétiques, mais également à élargir leur spectre potentiel d’application en les utilisant comme base pour l’obtention de molécules bioactives.

Le partenariat entre le CEA Le Ripault et l’Institut de Chimie Organique et Analytique (ICOA) de l’université d’Orléans, contractualisé au sein du Laboratoire de Recherche Conventionné M09, offre un cadre idéal pour la thèse proposée.

Objectif Le but de la thèse est d’accéder à de nouvelles molécules présentant soit une activité biologique (cibles : système nerveux central, cancer…), soit un intérêt en tant que composé énergétique. L’originalité de ce sujet est liée au fait que, à partir d’un même squelette polyaromatique azoté, il est possible de modifier spécifiquement la structure afin d’obtenir des molécules soit bioactives, soit énergétiques. Ainsi, à partir d’un cœur commun, deux applications qui paraissent a priori très différentes peuvent être visées :

plateforme aromatiqueazotée polycyclique

+ pharmacophores + explosophores

molécules biologiquement activesmolécules énergétiques



Déroulement de la thèse Dans un premier temps, il s’agira de construire la plateforme aromatique azotée qui servira de partie commune aux deux applications. Les deux centres de recherche (CEA Le Ripault et ICOA) possèdent chacun une forte compétence et une excellente complémentarité, à la fois en terme de méthodologie et de types de composés, dans la chimie des aromatiques azotés.

Dans un deuxième temps, on s’attachera à fonctionnaliser les structures de base en vue d’obtenir des composés soit énergétiques, soit actives sur des cibles thérapeutiques identifiées. Côté applications dans le domaine de la santé, l’ICOA est reconnu pour ses travaux dans différents domaines thérapeutiques. Le réseau de collaboration de l’ICOA avec de nombreux biologistes permettra d’ailleurs l’évaluation des produits sur de nombreuses cibles (cancer, système nerveux central, virus…). Parallèlement, le CEA Le Ripault constitue un pôle reconnu d’expertise dans le domaine des composés énergétiques et dispose des moyens nécessaires pour valider leur intérêt (calculs, mesures de paramètres expérimentaux). Par conséquent, le sujet proposé exploite pleinement le potentiel de chacun des deux organismes.

Directeurs de thèse Eric PASQUINET (CEA DAM Le Ripault), Gérald GUILLAUMET (ICOA)

Contact CEA DAM Le Ripault, Eric PASQUINET 02 47 34 40 00

Chimie analytique


Sujet Modélisation et développement d’un système d’analyse en ligne des transuraniens pas spectroscopie de fluorescence X raies L

Contexte L’analyse des éléments uranium, plutonium et américium dans les liquides et effluents des procédés de recyclage du plutonium est particulièrement importante pour d’une part le suivi de l’efficacité des traitements, et d’autre part pour des raisons de sûreté, pour le suivi de l’inventaire des matières nucléaires et pour garantir l’absence de risque d’accident de criticité.

Ces mesures sont actuellement réalisées hors ligne, au moyen d’analyses spectrométriques longues et génératrices de déchets. Un moyen d’analyse en ligne, rapide, précis et non générateur de déchets permettrait de mieux répondre aux besoins de l’exploitant, tout en diminuant les risques d’irradiation des opérateurs et en apportant une possibilité de double contrôle, capacité parfois exigée dans les installations futures.

Objectif de la thèse Cette thèse a pour objectif de développer un système compact d’analyse en ligne, précis et rapide, par spectroscopie de fluorescence X raies L, des éléments uranium, plutonium et américium, dans les liquides procédés.

Déroulement de la thèse Les travaux de thèse poursuivront des études initiées lors d’un mémoire CNAM. Ces études ont permis : - de définir et de tester un prototype de système d’analyse sur des éléments chimiques non radioactifs (mercure, thallium, plomb et bismuth) avec des résultats encourageants, - de commencer à mettre au point un modèle du système dans le code de calcul PENELOPE 2008 de façon à prédire les spectres de fluorescence X de ces 4 éléments chimiques. Les travaux de thèse devront donc terminer la mise au point de ce modèle pour valider les résultats obtenus sur les quatre éléments chimiques non radioactifs, par comparaisons et itérations entre les résultats mathématiques et les résultats expérimentaux. Le comportement des éléments uranium, plutonium et américium pourra ensuite être simulé de façon à calculer les spectres de fluorescence X obtenus avec ces éléments,

- dans différentes conditions de concentrations relatives, - en faisant des recherches bibliographiques pour évaluer les coefficients importants dans les interactions rayonnement-matière mis en jeu ou en quantifiant ceux qui sont mal connus dans la littérature pour ces éléments chimiques particuliers, - en intégrant les corrections habituelles en spectroscopie de fluorescence X (point ci-dessus) mais aussi en quantifiant les effets des rayonnements gamma émis par ces éléments radioactifs, Les résultats obtenus par le calcul permettront de définir le logiciel le plus apte à exploiter les spectres expérimentaux. Les résultats expérimentaux permettront de qualifier entièrement le modèle.

Il s’agira ensuite de prendre en compte les effets de matrice liées aux solutions elles-mêmes, de façon à définir les corrections de matrice à apporter, les modes d’étalonnage du système à utiliser en fonctionnement en routine, et à calculer les incertitudes de mesures associées.

La validation du modèle et la prise en compte des effets de matrice nécessiteront des essais sur le système pilote de façon à l’améliorer et à déterminer le système définitif à installer sur les lignes procédés. La dernière partie du travail sera plus technologique, avec la mise en place de ce dernier, les tests de qualification et la comparaison de ses performances avec celles issues des calculs par le modèle, et enfin la définition de son mode de fonctionnement en routine.

Cette thèse sera menée au Laboratoire de chimie analytique du CEA Valduc et au Laboratoire de Chimie Physique des Rayonnements Alain Chambaudet de l’Université de Franche-Comté dans le cadre de l’UMR CEA E4.

Directeur de thèse Jean-Emmanuel GROETZ (UFC/LCPR-AC)

Responsable CEA Jean-Charles HUBINOIS (CEA/DTMN)

Contact CEA/DAM/Valduc 03 80 23 40 00

Chimie analytique


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Sujet Modélisation théorique et validation expérimentale de l’interaction d’une onde électromagnétique implusionnelle à fort dE/dt avec des cellules biologiques

Contexte L’emploi probable, à moyen/ long termes, d’armes électromagnétiques ou de radars pulsés ultra large bande, nécessite de démontrer la non létalité ou la létalité réduite ou encore la létalité maîtrisée, de ces systèmes. Ceci passe par l’analyse des effets « nanoscopiques » à l’échelle de la cellule et à l’interprétation des limites des effets d’électroporation de membranes biologiques qui pourraient s’avérer rédhibitoires pour certaines cellules. Les premières expérimentations conduites en France (Institut Gustave Roussy) et aux Etats-Unis (Laboratoire Old Dominium de Norfolk,) au cours de ces 3 dernières années, ont permis de mettre en évidence deux types d’effets biologiques:

o un effet sur l’expression génétique (notamment l’apoptose), o une augmentation de la perméabilité des cellules.

Les mécanismes sont toutefois loin d’être expliqués : y-a-t-il réversibilité? Ces impulsions ayant un large contenu fréquentiel, y a-t-il des effets différentiels sur les membranes de la cellule, du noyau et/ou des autres organites intracellulaires en fonction de la forme de l’impulsion, de sa fréquence de répétition ou de la valeur de dE/dt et de son front de montée ? En particulier, le noyau est-il atteint ? Peut-il y avoir des conséquences non-létales sur l’expression génétique des cellules ? Les premiers effets semblent apparaître à partir de 1012 V/m/s, soit 1kV/m en 1 ns. Piloté par l’Institut Gustave Roussy, cette thématique est fortement duale : les applications médicales visées concernent en premier lieu le traitement du cancer par électroporation des cellules atteintes, mais de nouvelles applications peuvent surgir en fonction des effets biologiques et des mécanismes que nous serons en mesure de mettre en évidence.

Objectif de la thèse Au cours de cette thèse, les objectifs scientifiques proposés sont les suivants :

- A) Développement, modélisation et caractérisation d’un dispositif permettant l’application sur des milieux biologiques d’une vaste gamme de nanopulses en termes d’amplitude de champ, nombre de pulses, fréquence de répétition, type d’impulsion (carré, monopolaire, bipolaire,…), raideur du front de montée… comme étape indispensable à l’autre partie du travail (point B ci-dessous).

- B) Analyse et Interprétation des mécanismes soutenant les effets biologiques des nanopulses.

Déroulement de la thèse Le travail débutera par une étude bibliographique sur les divers dispositifs d’exposition de cellules biologiques aux rayonnements électromagnétiques. Cette étude tiendra compte de l’état d’avancement du travail et de l’expérience pratique du laboratoire d’accueil, ce qui permettra de comprendre et d’analyser l’intérêt et les limitations de ces dispositifs (en particulier ceux actuellement développés et utilisés dans le laboratoire d’accueil). Cette étude permettra aussi de juger de la pertinence et de la cohérence des méthodes d’injection, de mesure, d’observation et de diagnostics. Le dispositif jugé optimum sera ensuite soumis à l’expérience sur différents objets biologiques (cellules, tissus, animaux) et pour différents paramètres d’agression (amplitude, répétitivité, front de montée..). Chaque expérience consistera à agresser en conduction ou en illumination les échantillons cellulaires par un signal dont les caractéristiques de formes varieront indépendamment ou non les unes des autres. Les observables sont à définir et pourront être qualitatifs (observation microscopique d’une cellule) ou quantitatifs (évaluation du nombre de cellules détruites, expression de gènes, perméabilisation des cellules, autres perturbations spécifiques des cellules, …), avant, pendant ou après l’exposition. Le modèle numérique associé sera connecté à différents types de charges représentatives de la charge dynamique réelle de l’échantillon. Ce modèle sera amélioré pour parvenir à une minimisation de l’erreur entre expérience et simulation et à une compréhension des liens entre les caractéristiques du signal parasite et la physique de l’interaction entre l’onde et la cellule.

Le thésard pourra profiter de l’expérience du Centre d’Etudes de Gramat (CEG) dans le domaine de la vulnérabilité des systèmes aux agressions électromagnétiques. Il aura notamment accès aux moyens de simulations expérimentaux et numériques du site.

Directeur de thèse Luis M. MIR -- Laboratoire de Vectorologie et de transfert de gènes, CNRS - Institut Gustave Roussy – Université Paris-Sud, Villejuif.

Contact CEA/DAM/DS Thierry MASSARD 01 69 26 40 00

Electromagnétisme


Sujet "Conception d'antennes et transformation champ proche champ lointain pour les mesures de SER en basses fréquences" Contexte La Surface Equivalente RADAR (SER) d'un objet est la quantité physique qui quantifie le pouvoir de réflectivité de cet objet par rapport aux ondes électromagnétiques. Elle traduit la fonction de transfert entre le champ lointain diffracté par cet objet et l'onde plane électromagnétique incidente qui l'illumine. La SER est une quantité caractérisable : il est possible à la fois de la calculer numériquement, et de la mesurer expérimentalement. Exhiber la SER d'un objet consiste à maîtriser ces deux aspects. Dans le domaine des basses fréquences, la caractérisation expérimentale de la SER se heurte à de nombreuses difficultés physiques, liées à la taille de la longueur d'onde. Il est en particulier difficile, voire impossible à la fois d'illuminer une cible avec une onde plane et de collecter son champ lointain diffracté. La plupart du temps, les mesures de SER en basse fréquence sont faites en champ proche, la cible étant illuminée par un champ excitateur méconnu. Déconvoluer la SER de la quantité mesurée reste un problème ouvert. A contrario, du fait de la grande longueur d'onde, les modèles électromagnétiques d'objets sont "peu coûteux" (faible nombre de degrés de liberté), et les calculs de SER sont relativement faciles. Néanmoins, prédire ou restituer par simulation la quantité mesurée par le moyen de caractérisation expérimentale demande la modélisation complète du système de mesure (aérien d'émission / réception, objet sous test, éventuellement prise en compte des interactions avec l'environnement…), ce qui peut considérablement alourdir les modèles. Depuis 2003, le CEA s'intéresse à des modèles de comportement faisant intervenir une décomposition particulière des courants induits par une onde électromagnétique sur un objet: la décomposition en courants caractéristiques. Objectif de la thèse La thèse proposée poursuit deux objectifs fédérés par l'exploitation d'un même modèle : la décomposition des courants sur un objet en courants caractéristiques. Le premier objectif concerne le développement d'un nouveau concept de transformation champ proche / champ lointain dans le cadre des mesures de SER : si les aspects transformation champ proche / champ lointain sont bien connus et maîtrisés dans le cadre des caractérisations d'antennes (mesures d'antenne en champ proche pour obtenir le diagramme champ lointain), c'est loin d'être le cas pour les mesures de SER pour lesquelles le problème se pose doublement (éclairement de la cible en champ proche, réception du champ diffracté en champ proche). Un premier objectif de la thèse est d'exploiter le modèle de décomposition des courants sur l'objet et sur les antennes de mesures afin de mieux caractériser le champ proche émis par les antennes, diffracté par la cible, et reçu par les antennes, puis de relier les champs caractéristiques proches aux champs caractéristiques lointains, afin de dégager la SER de l'objet. Le second objectif est d'exploiter la décomposition en courants caractéristiques afin de mieux comprendre la phénoménologie du fonctionnement des antennes et d'en optimiser les paramètres (largeur de bande, impédance, position et type d'excitation), plus particulièrement dans le cas des antennes de petite taille par rapport à la longueur d'onde. Il s'agira alors de dégager des guides de conception qui pourraient permettre par exemple de miniaturiser et d'optimiser les aériens de mesure de SER dans le domaine des basses fréquences (pour mémoire, l'antenne utilisée en V/UHF dans la chambre anéchoïque CAMELIA du CEA est un réseau d'antennes d'environ 6 m x 6 m). Déroulement de la thèse Nous proposons un déroulement du travail en plusieurs étapes. Après une phase de bibliographie et en s'appuyant sur le REX sur deux thèses antérieures traitant des outils de modélisation en modes caractéristiques, le candidat spécifiera un outil de calcul dont le développement et/ou l'intégration pourra pour tout ou partie être sous-traité. Ce code de calcul sera son outil de travail pour la suite des travaux. Transformation champ proche / champ lointain fondée sur la DCC : Un brevet déposé par le CEA en 2006 explique comment exploiter un jeu de mesures de SER BF. L'existence d'un tel jeu de mesures est une hypothèse forte. Le travail de la nouvelle thèse devra permettre de dépasser cette limite. Un algorithme de calcul permettant la détermination des modes puis l'analyse de SER à partir des champs diffractés, et développé dans le cas d'illuminations en ondes planes sera étendu à un cas plus général (illumination en champ proche). Un lien fort entre les valeurs propres et les modes propres obtenus en champ lointain et en champ proche sera établi. Cette partie du travail est la plus novatrice. Elle permettra d'énoncer un jeu d'hypothèses sur les conditions de mesure (longueur de base, fréquence minimale, etc.) telles que la relation entre les deux jeux d'éléments propres soit effectivement maîtrisée. Une fois cette relation caractérisée, elle permettra la définition d'une transformation champ proche champ lointain d'un nouveau genre : l'idée est de ne plus chercher à corriger la valeur des champs diffractés mais celle des éléments propres dont ils dérivent. Analyse et conception d'antennes par DCC : Cette partie du travail sera réalisée en continu tout au long de la thèse. De nombreuses situations pratiques requièrent la mise en oeuvre de « petites antennes » (antennes petites devant la longueur d'onde, ou « ESA » pour Electrically Small Antennas). Le rendement de ces antennes est toujours problématique (mauvaise adaptation) et leur optimisation, pour ne pas dire leur compréhension, délicate. L'analyse en courants caractéristiques peut amener des éléments d'information nouveaux. Directeur de thèse Richard ZIOLKOWSKI / Olivier VACUS Contact CEA/DAM/CESTA 05 57 04 40 00

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Sujet Caractérisation des grandeurs relatives à la susceptibilité électromagnétique des étages d’entrée de composants électroniques

Contexte Les composants électroniques sont régulièrement soumis à des parasites électromagnétiques issus d’équipements de communications ou de rayonnements intentionnels. Les approches, généralement utilisées, partent d’un signal identifié (signal fonctionnel, normes CEM, tests de fiabilité) et analysent la susceptibilité du composant (sa résistance à l’agression) spécifiquement pour des signaux du même type. Cette manière d’aborder le problème donne d’assez bons résultats pour la compatibilité électromagnétique mais ne permet pas d’identifier les grandeurs caractéristiques du parasite conduit pouvant induire des comportements très différents. Autrement dit, il est très difficile de prédire ces comportements en fonction des différentes formes que peut prendre le signal parasite. Des travaux antérieurs ont montré l’impact de la valeur moyenne de la tension ou du courant en entrée de composant, puis ont permis de modéliser la réponse à des parasites microondes des dispositifs génériques de protection contre les décharges électrostatiques, en montrant l’importance que pouvaient revêtir les phénomènes de stockage de charges. Ces premières modélisations ont permis d’appréhender plus correctement le comportement dynamique hautes fréquences des étages d’entrée des composants. Cette connaissance est une première étape dans la caractérisation des grandeurs caractéristiques de la susceptibilité électromagnétique des composants électroniques. Elle relie, sur seulement quelques paramètres actuellement, la physique du composant à la nature du signal parasite. L’étape suivante consiste à étendre les capacités du modèle à l’ensemble des caractéristiques du signal parasite.

Objectif de la thèse Cette thèse a pour objectif de développer un modèle complet de susceptibilité électromagnétique d’étage d’entrée de composant électronique paramétré par les caractéristiques de formes des signaux parasites (et non des signaux fonctionnels) en reliant celles-ci aux phénomènes liés à la physique du composant.

Déroulement de la thèse Le travail débutera par une étude bibliographique sur les divers dispositifs de protection utilisés contre les décharges électrostatiques (étage d’entrée de la plupart des composants). Cette étude permettra de juger du caractère générique d’un précédent modèle de susceptibilité développé dans le cadre d’une thèse au laboratoire XLIM de l’Université de Limoges. Ce modèle sera ensuite soumis à l’expérience sur différents composants. Chaque expérience consistera à agresser en conduction le composant par un signal dont les caractéristiques de formes varieront indépendamment ou non les unes des autres. Les observables sont à définir et pourront être un signal de sortie fonctionnel, l’impédance d’entrée de la broche du composant agressé, le courant d’alimentation du composant, avant et après l’injection. Le modèle sera connecté à différents types de charges représentatives de la charge présente derrière l’étage d’entrée du composant réel. Ce modèle sera amélioré pour parvenir à une minimisation de l’erreur entre expérience et simulation et à une compréhension des liens entre caractéristiques du signal parasite et physique du composant. En parallèle, une réflexion sera menée sur la forme informatique de ce modèle et son intégration dans une chaine de simulation électromagnétique, notamment la plate-forme Quercy du Centre d’Etudes de Gramat (CEG). La thèse examinera également l’extension du domaine d’utilisation du modèle à d’autres technologies: diode Schottky, diode PIN, transistor bipolaire ou à effet de champ ...

Directeur de thèse Alain REINEX (Laboratoire XLIM – Université de Limoges)


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Sujet : Evaluation de l’influence de la non-stationnarité du milieu de propagation dans le processus de Retournement Temporel (RT) par la méthode de collocation stochastique

Contexte : Originellement développée au Laboratoire Ondes et Acoustique (LOA), le retournement temporel est un procédé étudié initialement pour focaliser des ondes acoustiques en temps et en espace. Ces travaux nourrissent actuellement de nombreuses recherches tant fondamentales qu’appliquées. En électromagnétisme, le retournement temporel consiste à enregistrer un signal électromagnétique et à le réinjecter « à l’envers ». Le signal réinjecté possède des propriétés très intéressantes, avec des applications possibles dans le domaine médical et militaire. Considérant la globalité du processus de RT en électromagnétisme, de nombreux paramètres interviennent et sont étudiés depuis peu par différentes équipes pour des applications en télécommunication principalement. Si, par définition, les étapes successives du processus de RT nécessitent la conservation des conditions exactes du milieu de propagation, en pratique, il est bien sûr impossible de contrôler tous les éléments d’une expérimentation, de mesurer les véritables conditions initiales, de maitriser parfaitement la géométrie ou encore de connaître exactement les caractéristiques physiques des différents matériaux. Pour pallier ce manque de connaissances ou prendre en compte tout simplement l’incertain, l’approche usuelle consiste à considérer des valeurs moyennes pour les divers paramètres d’entrée de la simulation et de calculer la solution correspondante. Si la solution recherchée est robuste à la variation des paramètres, c’est indéniablement une approche raisonnable. Toutefois, pour des problèmes généraux où la sensibilité de la solution peut être importante, une solution basée sur des paramètres moyens ne représentera pas correctement la réalité et, par conséquent, ne constituera pas un bon outil prédictif aussi performant quel que soit le modèle développé (numérique et/ou expérimental). Un moyen classique d’aborder le problème crucial précédent est d’employer une approche de type Monte Carlo. Le principal problème de cette approche réside dans sa convergence très lente en N-1/2 avec N la taille de l’échantillon, rendant coûteux l'accès aux grandeurs moyennes et aux moments d'ordre supérieur. Dans cette thèse, les travaux visés concernent la mise en œuvre d’approches originales (méthode de collocation stochastique) dans un contexte de RT. Objectif de la thèse Cette thèse vise à étudier l’impact des incertitudes entourant les différents paramètres caractéristiques du processus de RT. Dans ce cadre, l’objectif majeur visé consiste en l’utilisation optimale de la méthode de collocation stochastique afin d’estimer le plus précisément et efficacement l’influence de paramètres aléatoires. L’objectif de cette étude est de mettre en œuvre une approche originale et efficace pour prendre en compte l’aléa dans le modèle de RT électromagnétique. L’absence de connaissances a priori sur les résultats et le caractère non intrusif constitue les aspects innovants et avantageux de la méthode de collocation stochastique envisagée. Cette étude visant à valoriser les développements réalisés dans le domaine de la simulation électromagnétique (simulations, mesures) permettra de poursuivre les investigations sur les techniques elles-mêmes (RT et collocation).

Déroulement de la thèse L’organisation générale des travaux envisagés dans cette thèse se décline suivant trois parties intimement liées : - Tout d’abord, une large part des études demandées nécessitera la prise en main de la technique de RT (étudiée actuellement par quelques équipes). Cette dernière nécessitera des investigations à la fois théoriques, numériques et/ou expérimentales. Dans le domaine acoustique, le RT est étudié depuis de nombreuses années et la littérature sur le sujet est relativement fournie. Dans un premier temps, l’emprunt des éléments nécessaires en électromagnétisme nécessitera donc une étude bibliographique poussée sur le RT en acoustique. - La méthode de collocation stochastique est une méthode récente pour résoudre des problèmes stochastiques (expérimentaux ou numériques) de manière très efficace. Associé au processus de RT, cette méthode permettra d’étudier l’influence des divers paramètres mis en jeu lors de simulations (influence de la localisation de la focalisation, hétérogénéité du milieu, géométrie, caractéristiques du signal…). Ceci nécessitera la compréhension des bases théoriques de la méthode de collocation stochastique pour pouvoir l’appliquer dans le cadre du RT. - Enfin, la mise en pratique de ces analyses pour différentes applications à définir précisément (géo-localisation, télédétection, télécommunication, focalisation, super-résolution, bazooka électromagnétique …) nécessitera d’associer finement les développements réalisés précédemment pour les techniques de RT et de collocation. Basés sur la prise en compte au plus près de l’incertain, les travaux visés concernant l’utilisation de la méthode de collocation en RT sont de différents ordres. D’un point de vue numérique, on pourra ainsi valoriser les codes de calcul déterministes existants en considérant l’aléa pour des problèmes de RT. L’estimation de l’impact de l’incertain sur les résultats serait un axe de travail important. L’étude de la convergence de la méthode suivant les cas physiques considérés (notamment télécommunication, compatibilité électromagnétique) se révélera nécessaire. Enfin, l’analyse du positionnement de la méthode (collocation) vis-à-vis des approches existantes (Monte Carlo, plans d’expérience par exemple) sera envisagée dans le contexte de RT. Directeur de thèse Pierre BONNET (LASMEA) –Université Blaise Pascal de Clermont-Ferrand Contact CEA/DAM/DS Thierry MASSARD 01 69 26 40 00

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Sujet : Etude et développement d’un concept d’amplification et de focalisation spatio-temporelle d’une onde électromagnétique basé sur le principe du retournement temporel

Contexte : Les impulsions électromagnétiques intentionnelles (IEMI : Intentional Electromagnetic Interference) constituent des pistes nouvelles d’armement qui pourraient induire des ruptures dans les équilibres des forces. Différentes technologies, comme les Klystrons ou les Magnétrons, sont actuellement utilisées pour générer ce type de signaux. Elles sont généralement lourdes à mettre en œuvre et nécessitent de très fortes puissances. De nouvelles technologies intégrant, dans un espace réduit, de type missile, drone, ou véhicule terrestre, des dispositifs compacts et répétitifs permettraient d’agresser, de perturber ou de détruire des cibles adverses. De nombreuses applications militaires sont envisageables telles que : protection anti-missile, déminage d’un couloir sécuritaire, paralysie d’un réseau de transmission….

Originellement développé au Laboratoire Ondes et Acoustique (LOA), le retournement temporel est un procédé étudié initialement pour focaliser des ondes acoustiques en temps et en espace. Ces travaux nourrissent actuellement de nombreuses recherches tant fondamentales qu’appliquées. En électromagnétisme, une des méthodes de mise en œuvre du retournement temporel consiste à enregistrer un signal électromagnétique et à le réinjecter « à l’envers ». Le signal réinjecté possède des propriétés très intéressantes, avec des applications possibles dans les domaines médical et militaire.

Le principe est de faire se propager des ondes dans des milieux très dispersifs où une onde initialement brève s'étale considérablement au cours de la propagation. Lorsque l'effet dispersif est réversible, grâce à la technique du retournement temporel, il est possible de transformer l'onde considérablement dispersée en une impulsion brève. Le milieu se comporte alors comme un milieu à compression d'impulsions. Cette compression s'accompagne d'une concentration d'énergie dans l'impulsion ainsi engendrée. Lors d’un contrat de recherche, financé par la DGA, le LOA a mis au point un premier démonstrateur constitué d'une petite chambre réverbérante électromagnétique. Des gains de plus de 40dB ont été obtenus. L'ambition de ce démonstrateur fut de prouver la faisabilité du concept.

Objectif de la thèse : L'objectif de la thèse est l’optimisation des paramètres de la chambre réverbérante (volume, taille de l’ouverture, recherche des meilleurs milieux dispersifs possibles..) afin de réaliser, in fine, un démonstrateur beaucoup plus performant, notamment en termes de compacité, de distance d’efficacité, et de rendement énergétique.

Déroulement de la thèse : Dans un premier temps, l'étudiant assimilera les résultats obtenus lors de l’étude précédente conduite au LOA. Ensuite, différents milieux dispersifs seront considérés comme des cavités réverbérantes « chaotiques », des lignes dispersives, des guides d’ondes. Ces études se fonderont à la fois sur une approche théorique et une approche numérique. Au terme de cette première phase, deux ou trois des meilleurs milieux dispersifs seront fabriqués. Pour commencer, une caractérisation basse puissance sera effectuée de manière à estimer le gain induit par chaque milieu. Au vu des résultats expérimentaux, des études théoriques/numériques pourront être à nouveau menées pour améliorer les performances des prototypes. A l’issue de ces expériences, des essais fortes puissances seront effectuées au centre d’étude de Gramat (CEG). Pour ces essais, une recherche sur une solution technologique sera menée pour effectuer du retournement temporel 1 bit. Cette variante présente le double avantage d’augmenter le gain d’environ 3dB, mais surtout de nécessiter un étage de puissance beaucoup plus simple.

Ces travaux s’inscrivent dans une collaboration entre le groupe micro-ondes de l’Institut Langevin et le Centre d’Etudes de Gramat. L’Institut Langevin apporte son expertise théorique, numérique et expérimentale sur le retournement temporel des micro-ondes en régime basse puissance. Le CEG, quant à lui, est spécialisé dans les technologies mises en œuvre dans la génération de champs de forte intensité. A cette fin, il dispose, entre autres, d’outils de caractérisation uniques pour de tels champs et des moyens de calculs appropriés.

Directeur de thèse : Julien de ROSNY – Institut Langevin – ESPCI – LOA – 01 40 79 51 48


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Sujet : Etude de modèles de fils minces et de modèles de métamatériaux dans le domaine temporel dans une approche Galerkin Discontinu.

Contexte : Dans le contexte de la modélisation des effets électromagnétiques sur les structures, les méthodes basées sur des schémas Galerkin Discontinu ont récemment montré un grand intérêt dans la communauté scientifique. Ces méthodes présentent l’avantage d’avoir des schémas d’ordres élevés évitant ainsi les problèmes liés aux erreurs numériques de dispersion ou de dissipation que connaissent certains schémas comme celui de Yee. Elles peuvent alors de ce fait, apporter un avantage en termes de précision et de coûts calculs/mémoire dans certains types de problèmes comme l’étude de cavités ou d’objets à plusieurs dizaines de longueurs d’ondes. Afin de pouvoir appliquer en particulier celles-ci à des problèmes de CEM, un modèle de fils minces basée sur une approche aussi de type Galerkin Discontinu fut aussi étudié et développé dans un contexte de fil mince supposé maillé. Dans le formalisme proposé, il est nécessaire que les structures filaires soient portées par les arêtes du maillage et donc soient dans le processus de maillage initial de la structure. Ceci représente certains inconvénients non négligeable que sont le risque d’avoir des mailles très petites dans le cas de fils près des structures et donc une augmentation considérable du coût calcul ou bien la nécessité de re-mailler l’ensemble de la structure dans le cas d’une modification locale d’un fil. Par ailleurs, il existe, pour éviter cela, diverses études menées sur des formalismes de fils dits obliques dans lesquels le maillage du fil est indépendant du maillage de la structure. Dans le contexte de ce travail de recherche, nous allons donc chercher à adapter ce type de formalismes à une approche Galerkin Discontinu tout en conservant un schéma précis et stable. Un autre aspect d’intérêt croissant est à l’heure actuelle la modélisation des méta-matériaux. Dans ce contexte il existe des problèmes intéressants comme la simulation phénoménologique de plasma pour la résolution de Maxwell (PLASMA NIM) où le plasma peut être interprété comme un métamatériau. On peut aussi s’intéresser à des matériaux d’invisibilité partielle ou totale en backscattering qui peuvent être simulés par un formalisme PML. Pour chacun de ces problèmes, il existe une bibliographie et des modèles directement exploitables dans le domaine temporel.

Objectif de la thèse : Cette thèse a pour objectif d’étudier et de développer dans le cadre d’une approche temporelle Galerkin discontinu, des modèles liés aux structures filaires et aux métamatériaux. En ce qui concerne les structures filaires, on cherche à pouvoir introduire celle-ci indépendamment du maillage en prenant en compte des formalismes de fils obliques. Pour l’aspect métamatériaux, il s’agit d’’étudier et d’introduire un certain nombre de modèle de métamatériaux pour le traitement de problèmes tels que les plasmas MIN ou le cloaking (invisibilité).

Déroulement de la thèse Les travaux de thèse se déclinent en 2 grandes parties qui sont l’étude d’un formalisme de fils minces oblique et l’étude de la modélisation des métamatériaux dans le cadre d’une approche Galerkin Discontinu dans le domaine temporel. En ce qui concerne la première partie, on peut décliner les différentes étapes sous formes de trois étapes principales. La première étape va consister à analyser le schéma Galerkin Discontinu développé à l’ONERA pour la résolution des équations de Maxwell et les structures filaires, ainsi que le schéma de fil oblique développé à XLIM dans un contexte FDTD. Parallèlement à cette analyse, une étude bibliographique sur les récents travaux concernant les structures filaires sera aussi menée. La deuxième étape consistera alors à proposer un modèle de fil mince oblique dans l’approche Galerkin Dicontinu proposée dans le logiciel FEMGD, puis d’étudier théoriquement et/ou numériquement la précision et la stabilité ou convergence de la méthode de couplage globale. Pour cela, on s’attachera à vérifier la validité de la méthode sur différents exemples simples proposés par le CEG/CEA. Enfin la dernière étape consistera en une phase applicative de la méthode sur des exemples proposés par le CEG/CEA où on mettra en évidence les performances de la méthode. En ce qui concerne la deuxième partie, on peut décomposer celle-ci en deux grandes étapes. Dans la première étape, à partir de la bibliographie existante, on identifie un certain nombre de modèles de métamatériaux dans le cadre de la modélisation de plasma NIM et du cloaking et on introduit ceux-ci dans le formalisme Galerkin Discontinu. Dans la deuxième étape, on fait une étude numérique de ces modèles dans un ensemble de configurations données.

Directeur de thèse : Christophe GUIFFAUD (XLIM), Xavier Ferrieres (ONERA-DEMR)


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Sujet Étude 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 typiquement 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 touts les composants contenant des couches d’isolant très minces. L’intégration des technologies fait que tous les composants sont dans ce cas, les normes de tests actuelles sont remises en cause, et le besoin de compréhension des mécanismes physiques à l’origine de cette augmentation de sensibilité doivent être étudiés dans les meilleurs délais. Ils 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 de modéliser les effets des rayonnements dans les composants microélectroniques 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 proposées dans la littérature sur 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 0.25 µm. 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 O. FLAMENT - CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00

Electronique


Sujet Étude de l’influence des algorithmes de placement routage des mers de portes sur le durcissement

Contexte En comparaison des solutions disponibles pour réaliser des fonctions logiques spécifiques, telles qu’ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) ou FPGA (Field Programmable Gate Array), le concept des mers de portes (Sea of Gates) constitue un des meilleurs compromis possibles. Ce concept repose sur la réalisation d’un circuit intégré constitué d’un réseau 2D de portes, qui peuvent aller de la simple porte de base (4 transistors : 2 transistors N et 2 transistors P) jusqu’à des fonctions logiques élémentaires plus évoluées, susceptibles de générer n’importe quel circuit logique complexe, ou des fonctions de mémorisation.

Le schéma suivant représente une implantation typique d’une porte NAND à 2 entrées, composée de 4 transistors : 2 transistors N et 2 transistors P. Ce motif sert de motif de base pour une mer de portes NAND-2.

A B

AxB

VSS

VDD

Les fonctions logiques complexes sont réalisées en assemblant les portes entre-elles par des interconnexions physiques métal ou poly silicium. De cette façon, peu de masques sont requis pour constituer le circuit final.

Ce type d’architecture permet d’atteindre des degrés d’intégration élevés, bien supérieurs à ceux obtenus avec des architectures FPGA, qui s’avèrent favorables au durcissement. En outre, il présente plusieurs avantages : souplesse d’emploi (grâce à la possibilité de prendre en compte des évolutions de spécification, même très tardives, après la réalisation du circuit , et parce que le même composant mer de portes sert à réaliser le(s) prototype(s) du circuit final, puis le circuit final (minimisation des coûts de développement par rapport à la solution ASIC), contrôle de la confidentialité du circuit, et, éventuellement, utilisation d’un flot de conception standard, contrairement au cas du FPGA et des matrices prédiffusées.

Objectif de la thèse La thèse proposée s’intègre dans le cas d’une étude globale dont l’objectif est la capacité de répondre à un changement de spécification tardive sur des séquenceurs en l’absence d’un accès à une technologie micro-électronique.

L’objectif prioritaire et particulier de la thèse, qui devra s’inscrire dans l’objectif de l’étude globale, est le développement d’algorithme de placement routage, capable de prendre en compte des critères d’optimisation différents des algorithmes classiques.

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

1. Étude bibliographique sur les algorithmes de placement routage

2. Étude des outils freeware et commerciaux existants

3. Développement d’algorithmes innovants prenant en compte de nouveaux paramètres d’optimisation.

4. Validation des algorithmes développés en comparant les résultats par rétro-simulation et par fabrication et mesure de véhicule de test

5. Intégration de ou des nouveaux algorithmes aux outils du CEA.


Contact N. FEL - CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00

Electronique


Sujet Simulations du fonctionnement de l’optique électronique d’un tube à balayage de fente picoseconde

Contexte Dans le cadre du programme Simulation, mis en place par la Direction des applications militaires (DAM) du CEA, la réalisation du laser Mégajoule (LMJ) constitue un projet majeur. Ce grand instrument permettra de faire des expériences d’interaction laser – plasma et de fusion par confinement inertiel. Les diagnostics et l’instrumentation associés à l’Installation laser et à ce type d’expériences exigent des performances en constante progression. C’est le cas notamment des caméras ultra-rapides intégrant des tubes à balayage de fente qui sont les seuls dispositifs capables actuellement d’accéder, en monocoup, au suivi de l’évolution spatio-temporelle de phénomènes lumineux avec des résolutions temporelles de l’ordre de la picoseconde.

Afin d’améliorer, à terme, les performances accessibles pour les caméras du LMJ, des modifications de structure à l’intérieur des tubes à balayage (position et géométrie d’électrodes) seront entres autres à prévoir. L’utilisation d’un code de calcul d’optique électronique 3D, validé expérimentalement, s’avère indispensable. Il permettra des discussions techniques précises avec l’industriel fabricant de tube sur les évolutions structurelles à apporter. Il sera également très utile pour évaluer, a priori, certains risques de réalisation et permettre ainsi d’agir sur le processus de fabrication (respect des tolérances de positionnement des électrodes notamment).

La maîtrise d’un tel outil sera un des éléments clés pour garantir à moyen et à long terme la capacité du CEA-DAM à développer, en collaboration avec l’industriel, de nouveaux tubes permettant d’atteindre des performances requises lors des expérimentations, ces performances étant en constante progression.

Objectif de la thèse La thèse proposée s’intègre dans le cas d’une étude globale dont l’objectif est la capacité de concevoir un tube à partir d’un code en maîtrisant numériquement l’ensemble des paramètres qui influent sur ses performances.

L’objectif prioritaire particulier à la thèse, et qui devra s’inscrire dans l’objectif de l’étude globale, est le développement d’un code, capable de rendre compte des performances de deux géométries spécifiques de tubes connus et utilisés et qui doit permettre d’étudier l’influence des paramètres les plus importants (paramètres de 1er niveau) sur ces performances.


1. Établir numériquement le fonctionnement, en régime statique, de l’optique électronique d’un tube à balayage de fente picoseconde sur la base de deux architectures Photonis conventionnelles, l’une de structure cylindrique, l’autre de structure bilamellaire. La modélisation du fonctionnement statique concerne le calcul des composantes du champ électrique à partir des tensions de référence appliquées aux électrodes (données constructeur), suivant les trois dimensions de l’espace et pour une cartographie complète de l’écran

2. Valider le code développé en comparant les résultats obtenus à ceux obtenus par des codes de calcul développés dans d’autres laboratoires, ainsi qu’aux résultats expérimentaux mesurés en mode statique (sans balayage temporel).

3. Définir les paramètres dimensionnant du tube en vue de réaliser une étude paramétrique de 1er niveau.

4. Sélectionner parmi les paramètres définis au point 3, ceux qui conduiront à des modifications mises en œuvre sur un tube. Les résultats obtenus expérimentalement sur ce tube modifié seront comparés aux simulations calculées pour la validation de 1er niveau du code.

5. Réaliser une étude paramétrique de deuxième niveau (simulation et validation expérimentale).

6. Optimiser les performances d’un tube existant à partir du code de calcul, comparer et valider l’optimisation par l’expérience.

7. Concevoir un nouveau tube à partir du code de calcul, comparer les résultats expérimentaux à ceux obtenus par calcul.

Les actions 1 à 4 seront traitées prioritairement au cours de la thèse mais devront prendre en compte les actions suivantes afin d’en permettre une réalisation ultérieure. Les actions 5 à 7 sont complémentaires et facultatives.

Directeur de thèse NC Contact C. CHOLLET - CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00

Electronique


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Sujet Évaluation des constantes de stabilité des degrés d’oxydation 3, 4, 5 et 6 du plutonium avec des ligands organiques simples (acide carboxyliques et polyaminocarboxyliques) présent dans l’environnement Contexte La migration du plutonium dans l’environnement dépend de ses interactions avec les différents constituants présents en solution, et en particulier les agents complexants inorganiques et organiques. Parmi toutes les interactions possibles, les réactions de complexation avec le Pu (III, IV, V, VI) et des ligands organiques de type acide carboxylique (acide formique, acétique, oxalique) ou polyaminocarboxyliques (NTA, CDTA, EDTA, DTPA, etc.) revêtent une importance fondamentale car ces complexants forts peuvent être des vecteurs de mobilité du Pu dans les eaux naturelles. L’étudiant sera donc amené à évaluer certaines constantes de stabilité avec ces ligands organiques à l’aide d’outils adaptés. Une approche multi - technique est nécessaire pour identifier sans ambiguïté et de manière univoque les espèces présentes dans les solutions étudiées. Le couplage électrophorèse capillaire – spectrométrie de masse couplée à une source plasma générée par induction (EC-ICPMS) est une technique d’une extrême sensibilité (limite de détection de 10-14 M pour le plutonium) développée dans le laboratoire qui permet de séparer les espèces en fonction de leur mobilité électrophorétique et de les caractériser par leurs temps d’élution. D’autres techniques déjà éprouvées seront également utilisées, au travers de collaboration avec d’autres laboratoires, pour confirmer les valeurs obtenues, comme la spectrophotométrie qui apporte des informations structurales et la spectrométrie de masse couplée à un électro-spray (ES-MS) qui fournit des informations sur la masse molaire des espèces complètes ou de leurs fragments. L’étudiant pourra également utiliser de nouveaux détecteurs (fluorescence par excitation laser à 488 nm, barrettes de diodes) associés à l’électrophorèse capillaire de manière à élucider les complexes organiques séparés pendant l’électrophorèse. L’approche proposée consiste à étudier des interactions spécifiques entre le plutonium et un seul ou un nombre limité de ligands organiques à partir de solutions synthétiques dans laquelle le plutonium se trouve à des concentrations compatibles avec les performances des techniques analytiques disponibles. Ces études permettront d’évaluer les constantes thermodynamiques et cinétiques des différents degrés d’oxydation du Pu caractéristiques des réactions de complexation avec les ligands présents. De manière à fournir une approche complète du problème, l’étude sera également réalisée à différentes températures de manière à déterminer les enthalpies et les entropies des réactions. Enfin, la méthodologie sera appliquée à l’étude de sites pertinents pour lesquels les eaux naturelles contiennent les ligands étudiés et du plutonium en solution à des niveaux mesurables par nos techniques d’analyse. Ces travaux de recherche doivent permettre d’améliorer notablement les modèles prédictifs de migration du plutonium entraîné par les eaux naturelles en prenant en compte l’influence de la complexation par les différents ligands inorganiques rencontrés dans les milieux étudiés. Objectifs Il s’agit d’évaluer, à l’aide d’outils adaptés et variés, certaines constantes thermodynamiques (incluant enthalpie et entropie) engageant le plutonium à l’aide d’un faisceau d’expériences regroupant plusieurs méthodes indépendantes. Les études seront principalement focalisées sur un nombre restreint de ligands organiques. Certaines techniques seront privilégiées comme les couplages de l’électrophorèse capillaire avec un ICPMS et un ES-MS. Ces complexes étant relativement forts, ils sont susceptibles de remobiliser le plutonium. Il est donc important de connaître son comportement afin de prédire son déplacement ou son immobilisation dans les sols. Originalité Comme décrit ci-dessus, il n’existe pas ou peu de données complètes (au sens d’études impliquant les effets de la température) sur les complexes Pu – ligands organiques. Ce travail permettra d’estimer l’importance de ces complexes dans le comportement global observé pour le plutonium dans la biosphère. Collaborations

• CEA Marcoule, DEN / DRCP / SCPS / Laboratoire de Chimie des Actinides • CEA Saclay, DEN / DPC / SECR / Laboratoire de Mesure, Migration, Modélisation des Radionucléides • Université de Mayence • Laboratoire des Transuraniens, ITU, Karlsruhe • ECABIE – Université de Pau.

Directeur de thèse : Jean AUPIAIS (CEA/DAM-Île de France) Contact N. BAGLAN CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00

Environnement


Sujet Étude de l’impact des rejets tritium d’une installation nucléaire sur les doses induites par le tritium organique lié (TOL) présent dans les produits de la chaîne alimentaire locale Contexte La surveillance de l’environnement des sites qui effectuent des rejets de tritium fournit un suivi réglementaire des teneurs en tritium sous forme d’eau tritiée dans l’atmosphère, les eaux de surface, les eaux souterraines et des échantillons biologiques locaux (herbes et laits). Cependant, l’eau tritiée réside très peu de temps (au maximum quelques heures) dans les échantillons biologiques et les mesures effectuées n’offrent qu’une image « instantanée » d’une contamination. Au contraire, une fraction du tritium rejeté par les installations nucléaires est accumulée dans les organismes vivants sous forme de tritium organique lié fixé dans les molécules organiques au cours des réactions de photosynthèse. Les organismes végétaux jouent donc un rôle d’intégrateurs biologiques pour le tritium sous forme de TOL. Les activités ainsi accumulées dans les végétaux, y compris ceux de la chaîne alimentaire, sont très différentes de celles qui peuvent être mesurées dans l’eau libre des plantes. Cependant, l’analyse de TOL dans les végétaux est particulièrement délicate et nécessite la mise en œuvre de techniques très spécifiques. Les analyses réglementaires sont donc insuffisantes pour déterminer le marquage en tritium de la biosphère locale, notamment sur les produits agricoles. Or, ce marquage, et en particulier celui dû au tritium organique lié, induit une dose supplémentaire sur les espèces animales et les populations qui consomment les produits locaux. La contribution du TOL à ce marquage est significative. Même si cette dose additionnelle est vraisemblablement très faible, il importe de l’évaluer aussi précisément que possible et de démontrer son innocuité sur le court terme mais aussi sur le long terme. Cependant, les coefficients de transfert du tritium ambiant dans les végétaux et son intégration sous forme de tritium organique lié sont mal connus. En effet, les mesures de tritium organique dans les plantes et de tritium dans l’environnement des plantes (vapeur d’eau atmosphérique, eau de pluie, eau du sol) sont généralement réalisées séparément et il est difficile dans ces conditions d’établir un lien entre les deux. De plus, ces coefficients peuvent varier largement d’une espèce à l’autre et il est difficile, dans ces conditions, d’extrapoler des résultats d’une espèce à l’autre. Or, nous disposons pour le centre de Bruyères-le-Châtel d’un ensemble suffisamment complet d’informations et de compétences qui pourraient nous permettre de déterminer un impact global du site sur la chaîne alimentaire, en incluant la composante en tritium organique lié. En effet, la connaissance des niveaux des rejets tritiés, des données météorologiques locales, ainsi que la capacité à mettre en œuvre des codes de calculs de diffusion atmosphérique, peuvent nous permettre d’estimer les niveaux de tritium atmosphériques autour du centre. Par ailleurs, la connaissance des activités tritium en différents points des nappes d’eaux souterraines ainsi que de l’hydrogéologie du site (modèle d’écoulement des nappes) nous permettent d’évaluer les activités tritium dans les eaux souterraines. Enfin, nous possédons la capacité de réaliser des analyses de tritium organique lié dans des échantillons biologiques variés, y compris pour de faibles activités proches du bruit de fond régional. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier l’impact éventuel des rejets tritium d’une installation nucléaire sur les doses induites par le tritium organique lié présent dans les produits de la chaîne alimentaire locale. Lors de cette thèse de doctorat, la démarche développée sera appliquée au centre de Bruyères-le-Châtel. Cette méthodologie pourra ensuite, si besoin, être étendue à d’autres centres CEA. Une application importante de cette méthodologie pourrait être la détermination de l’impact des émissions de tritium associées à la mise en place du projet ITER. L’originalité de cette étude transverse réside dans son aspect pluri – disciplinaire, nécessaire à la détermination des facteurs de transferts du tritium dans l’environnement et à l’amélioration de la fiabilité de nos modèles de migration du tritium dans la biosphère, et in fine, dans la chaîne alimentaire. Objectifs Il s’agit, grâce à une approche pluridisciplinaire, d’estimer un impact global tritium éventuel, y compris la composante en tritium organique lié, du site de Bruyères-le-Châtel sur la chaîne alimentaire. Il est pour cela nécessaire de déterminer le plus précisément possible les coefficients d’intégration du tritium dans les différentes espèces végétales d’intérêt sous forme de tritium organique lié. Originalité A notre connaissance, une approche intégrée destinée à estimer l’impact des rejets tritium d’une installation nucléaire sur le contenu en tritium, et tout particulièrement en tritium organique lié, des principales espèces végétales de la production agricole locale, n’a jamais été réalisée. L’originalité de cette étude transverse réside donc d’une part dans son aspect global – étendu à l’ensemble de la production agricole – et d’autre part dans son aspect pluri – disciplinaire (analyses, calculs de diffusion atmosphérique, utilisation des modèles de migration hydrogéologique) qui est nécessaire à la détermination des facteurs de transferts du tritium dans l’environnement et à l’amélioration de la fiabilité de nos modèles de migration du tritium dans la biosphère, et in fine, dans la chaîne alimentaire. Collaborations CEA Valduc, SPR, IRSN, LMRE (Orsay) Directeur de thèse : Jean AUPIAIS (CEA/DAM-Île de France) Contact N. BAGLAN CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00

Environnement


Sujet Dynamique des gaz dans les systèmes environnementaux : quantification des réservoirs et flux naturels, et détermination des mécanismes de transfert du CO2 et des gaz rares en milieux poreux fracturés non saturés.

Contexte Les flux et les mécanismes de transfert des gaz entre la géosphère et l’atmosphère font l’objet d’une attention croissante de nos jours car ils sont la clef d’une grande variété de problématiques sociétales touchant à la sécurité et à l’environnement. Nous nous proposons de réaliser une expérience de migration de gaz traceurs (CO2 et gaz rares) à partir d’un site expérimental naturel constitué d’un tunnel situé à une cinquantaine de mètres sous terre dans un massif granitique fracturé. Les flux naturels des gaz et leurs origines seront préalablement déterminés. Les gaz seront détectés et suivis en surface, 50 m verticalement au dessus de la zone d’injection. Les abondances isotopiques en carbone, oxygène et gaz rares des traceurs seront choisies afin de permettre l’identification des sources. La cartographie des venues sera établie, et leur dynamique temporelle ainsi que les fractionnements tant chimiques qu’isotopiques seront mesurés par spectrométrie de masse et spectroscopie d’absorption laser en un nombre limité de points sélectionnés pour leur pertinence. Les expériences seront dimensionnées par le calcul. Un modèle conceptuel incluant un bilan de masse sera établi et validé à partir des traçages dans le but de nourrir un modèle numérique.

Formation recherchée ou recommandée au candidat postulant

Le candidat devra avoir une solide formation en géochimie des interactions fluides-roches étudiées à partir des systèmes isotopiques courants (isotopes stables ou radiogéniques), et des gaz rares. Il est requis une volonté d’implication importante dans les analyses isotopiques (spectrométrie de masse, et purification préalable des gaz) ainsi que dans les expérimentations qui seront menées sur le terrain.

Établissement d'inscription envisagé :

Institut de Physique du Globe de Paris, 4 place Jussieu, 752005 Paris

École doctorale proposée pour l'inscription du doctorant :

École doctorale des Sciences de la Terre de l'Institut de Physique du Globe de Paris.

Directeur de thèse Eric PILI (CEA/DAM-Île de France)

Contact Patrick RICHON CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00

Environnement


Sujet Étude d’un spectromètre bêta-gamma 3D et à très faible bruit de fond. Application à l’analyse des isotopes radioactifs du xénon dans un échantillon atmosphérique.

Etat de l’art De nombreuses études ont été menées ces dernières années sur les techniques de mesures nucléaires utilisant les coïncidences entre particules lorsque le schéma de désintégration d’un radionucléide le permet. La spectrométrie bêta-gamma a été notamment étudiée, ces dernières années, pour la détection et la mesure des radioxénons dans le contexte du TICE (Traité d’Interdiction Complète des Essais nucléaires). Cependant les instrumentations développées, notamment pour les stations « radionucléides » du TICE, sont optimisées pour des rendements de détection élevés au détriment d’une bonne résolution spectrale, du fait des caractéristiques des détecteurs retenus. Il s’ensuit des difficultés d’interprétation spectrale si les quatre radioxénons (133Xe, 135Xe, 133mXe et 131mXe) sont présents dans l’échantillon, en particulier si ce dernier contient des impuretés radiologiques naturelles (descendants des radons radioactifs). Les travaux envisagés privilégieront donc la résolution spectrale, tout en conservant des rendements de détection importants via l’optimisation de l’échantillon (piégeage des xénons sur un doigt froid). Le pouvoir de discrimination de l’instrumentation sera donc très notablement amélioré et devrait conduire à la mesure de rapports isotopiques avec de meilleures incertitudes.

Objectif À partir de simulations numériques de type Monte Carlo, une première étape consistera à étudier les différentes configurations possibles du spectromètre, en considérant les modes de désintégration des radioxénons (essentiellement 133Xe, 135Xe, 133mXe, 131mXe), la géométrie de l’échantillon, et le type de détecteur (scintillateurs minéraux, semi-conducteurs..). Cette étude prendra aussi en compte l’électronique associée et les caractéristiques des matériaux envisagés pour la détection. L’objectif est d'obtenir le signal de coïncidence bêta-gamma et e-X le plus discriminant au regard des radioxénons et d'une éventuelle composante radon présente dans l'échantillon. L’étape suivante portera sur l'analyse théorique et la compréhension du bruit de fond du spectromètre, notamment la composante associée au flux de rayonnement cosmique, en vue d'optimiser le rapport signal sur bruit. La réalisation d’un prototype sera menée, incluant son étalonnage et la détermination de ses performances analytiques, ainsi que la mise en géométrie de l’échantillon. La dernière étape concernera le développement d’un algorithme de traitement, a posteriori, des données 3-D incluant les calculs de seuils de décision, de limite de détection, et des concentrations des isotopes détectés.

Directeur de thèse AUPIAIS Jean (CEA/DAM Île de France)

Contact G. DOUYSSET - CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00

Environnement


Sujet Le tritium de l’écosystème à l’homme. Etude des mécanismes et des constantes qui régissent les différents équilibres et voies de transfert Contexte A l’heure où il est recommandé de manger cinq fruits et légumes par jour, on se demande si l’homme doit manger pour vivre ou vivre pour manger ! Beaucoup d’interrogations demeurent sur les effets de l’homme sur l’environnement et en retour les effets de l’environnement sur l’homme. Il en va de même pour les produits de traitement et insecticides utilisés pour l’agriculture intensive, ou encore les adjuvants ou métaux lourds présents dans les engrais, les sols, et pouvant impacter les produits de consommation. A l’instar de cette problématique, les effets des faibles doses dus à la radioactivité naturelle et/ou artificielle demeurent un sujet de polémique [1]. Le tritium, produit des rayonnements cosmiques dans la haute atmosphère, produit de l’industrie, source d’énergie du soleil et des technologies énergétiques du futur (ITER), est présent à la fois sous forme d’eau libre (HTO), et sous forme de tritium lié à la matière organique. Les travaux de recherche qui devront être menés auront pour objet de définir les sites prépondérants de fixation du tritium lié dans les matrices végétales à l’échelle de la protéine et d’étudier l’impact dosimétrique et la formation du tritium lié chez les êtres vivants après ingestion de produits agro alimentaires pour lesquels la concentration en tritium aura été caractérisée et définie. Déroulement de la thèse La principale source de tritium à l’état naturel résulte de l’activation du 14N par les rayons cosmiques de la haute atmosphère. Au-delà de cette contribution, il est important de connaître l’impact de sa production industrielle sur l'environnement et l’homme, en particulier dans le cadre du développement des technologies de fusion. Actuellement, la littérature fait état de modèles de diffusion relativement performants et pertinents pour décrire et/ou prévoir la diffusion dans l’air des deux principales formes du tritium que sont HTO et HT. On dispose également de données sur la diffusion du tritium dans les différents compartiments des plantes et végétaux. Ce dernier point a fait l’objet de travaux, dont une thèse en cours, dans un laboratoire du centre de Valduc du CEA [2,3]. Les données recueillies sont nombreuses, cependant incomplètes et nécessitent une consolidation prévue dans la thèse proposée. Par ailleurs, si l’on prend en considération le transfert du tritium à l’homme via les denrées agro alimentaires, les données bibliographiques et expérimentations sont relativement éparses. L’objectif de ce travail de thèse consiste à mettre en œuvre des expériences visant à comprendre les mécanismes de formation de l’OBT (Organic Bounded tritium) dans les cellules vivantes. Un travail bibliographique, préliminaire aux travaux expérimentaux de thèse, nécessaire à la définition précise des travaux à réaliser, est prévu. Les travaux de recherche proposés ont pour objectifs : 1) de comprendre les mécanismes et quantifier la formation des molécules et donc le taux de tritium lié dans les végétaux, notamment au regard de structures et constituants telles que les protéines. Il s’agit ici d’une suite aux travaux réalisés dans le cadre de la thèse actuellement en cours. La corrélation entre les vitesses d’intégration du tritium lié dans le végétal, et l’activité des constituants des matières végétales, devrait permettre d’accéder à la définition d’un matériau de référence pouvant servir à - préciser des méthodes d'analyse du tritium lié pour lesquelles aucun standard ou étalon n’existe à cette date, - disposer d’un matériau de culture courante, abondante et quasi-universelle (par exemple la salade ou le blé). Ce matériau devra pouvoir servir à évaluer a posteriori la quantité de tritium émise en situation de rejets chroniques ou accidentels, - étudier la possibilité d'utiliser les résultats obtenus pour d’autres types de produits agro alimentaires disposant des mêmes constituants. 2) d'utiliser la connaissance des taux de transfert du tritium libre et du tritium lié dans les plantes, pour simuler après ingestion, la transformation de l’OBT et de HTO dans les maillons supérieurs de la chaîne alimentaire. Bénéficiant de la compétence de spécialistes du domaine du vivant, il s’agira donc à partir de végétaux, dont on a une connaissance précise en terme de concentration HTO et OBT, de déterminer les constantes qui régissent l’intégration du tritium chez les mammifères et/ou cellules vivantes. Cette partie constitue un axe nouveau de recherche, et vient compléter le schéma de migration et transfert du tritium. L’enjeu est important puisque l'objectif est ici de compléter les données expérimentales nécessaires à la définition des risques liés à une exposition chronique ou aigue. Une synthèse récente effectuée par le Dr Lebaron-Jacobs [4] montre que les données restent encore trop « empiriques » (même si des expériences ont déjà été conduites en ce sens), et que l’état des connaissances « requiert une meilleure évaluation de la toxicité des OBT par rapport à HTO ».

[1] Tubiana M. The debate about effects of low doses : From epidemiology to biology. Environnement risques & santé ISSN 1635-0421. 2007, vol. 6, no1, pp. 59-67

[2] Vichot, L , Boyer, C., Losset, Y., Pierrat, D. Environmental tritium labelling and conversion rate to OBT for various plants in the vicinity of continuous atmospheric releases. J. Env. Radioactivity. 2008, in press.

[3] Vichot, L , Boyer, C., Losset, Y., Pierrat, D. Organically bounded tritium in the environment : First investigation of environmental survey of a French research centre. J. Fus. Science. 2008, vol 54, n°1, pp 253‐256

[4] Lebaron‐Jacobs L., Flüry‐Herard A. : CSSIN du 31/07/2007 Directeur de thèse : à définir Encadrant scientifique : Laurent VICHOT (ONERA/DOTA) Contact CEA/DAM/CVA 03 80 23 40 00

Environnement


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Sujet Etude de nuages de particules induits par choc : histogramme de vitesses, de masse surfacique, et de tailles de particules

Contexte Lorsqu’une onde de choc est engendrée dans un matériau, elle peut, dans certains cas, induire en surface libre un phénomène d’éjection de matière qui se traduit par l’émission d’un nuage de fines particules du matériau. L’étude de l’apparition et du devenir de ce nuage requièrent plusieurs types de moyens d’observation : imagerie dans les domaines spectraux X ou visibles (cinématographie ultra-rapide), chronométrie, pyrométrie, pressiométrie ou vélocimétrie. Ces moyens sont généralement résolus dans le temps (échantillonnage de quelques nanosecondes, durées d’enregistrement de quelques microsecondes).

La vélocimétrie s’est récemment enrichie d’une technique utilisant l’effet Doppler : la « Vélocimétrie Hétérodyne » (VH en français, PDV pour Photonic Doppler Velocimetry, en anglais). Elle a recours à un laser monomode (1.55 µm) qui d’une part donne accès à une fréquence de référence F0 et d’autre part éclaire un objet mobile. Ce dernier rétrodiffuse une lumière de fréquence F, décalée par effet Doppler. L’interférence entre de ces 2 fréquences F et F0 (hétérodynage) aboutit à un battement dans le temps, enregistré sur un numériseur. Un traitement par transformée de Fourier glissante aboutit à un outil dénommé « représentation-temps fréquence » ou « spectrogramme » dont l’analyse permet de connaître la loi de vitesse V(t) animant le mobile.

D’autres méthodes de vélocimétrie Doppler développées antérieurement (IDL et VISAR) ne permettaient de réaliser des mesures de vitesse que sur des surfaces peu dégradées sous choc (10 à 50 GPa). Désormais, avec la VH, il est possible de suivre un nuage de particules détachées, soit par rupture mécanique avec le massif soit par passage en fusion. Le spectrogramme nous offre alors un représentation « énergétique » I(v,t) de ce nuage.

Objectif de la thèse L’objectif de la thèse est de remonter au terme source (histogramme des particules en fonction des tailles et des vitesses) sachant que le signal récupéré est issu d’un faisceau laser qui s’est réfléchi sur le nuage (traversée, atténuation, simple ou multi diffusion dont celle de Mie, particules sphériques ou non, agrégées, fractalisées). Ce problème, « inverse », est très complexe. On peut cependant, dans un premier temps, approcher le problème direct (le formalisme mathématique n’est pas simple non plus et un important investissement dans ce domaine est à prévoir). Déroulement de la thèse La thèse comportera deux volets :

• l’un, théorique : modèles d’éjection de matière sous choc, simulations par codes hydrodynamiques, interaction lumière-particules dans un nuage inhomogène, électromagnétisme, optique, traitement du signal. Certaines compétences comme celles liées à la détonique ou à l’hydrodynamique peuvent être acquises en cours de thèse. • l’autre, expérimental (expériences de détonique, soit avec des lanceurs à poudre, soit par explosif).

Il sera par ailleurs envisageable de croiser (sur la même expérience ou sur des expériences semblables) cette technique avec d’autres, qui donnent accès à des grandeurs différentes (masses surfaciques ou volumiques, tailles de particules) tout en affichant le même objectif : caractériser la matière éjectées sous choc (imagerie-X de basse énergie, vélocimétrie avec barrière d’Asay, mesure de tailles de particules par diffraction, holographie en lumière bleue).

Le travail se fera dans un environnement scientifique aux nombreuses compétences et en relation avec des laboratoires français (Université, Grandes Ecoles) ou étrangers.

Directeur de thèse L. BERTHE, LALB Paris

Contact P. MERCIER - CEA/DAM/Ile de France 01 69 26 40 00

Expérimentations et Instrumentation


Sujet Imageur X adapté à l’environnement du Laser Mégajoule

Contexte Le sujet de thèse proposé s’inscrit dans le cadre des études expérimentales nécessaires pour caractériser la combustion d’une microcible (micro ballon) rempli d’un mélange Deutérium-Tritium implosé par laser sur la future installation du Laser Mégajoule en construction en Aquitaine. La conception des diagnostics nécessaires à l’étude du plasma au cours de l’expérience doit nécessairement prendre en compte la vulnérabilité de leurs composants face à l’environnement radiatif sévère engendré par l’émission de particules et photons, contemporains du signal à observer.

Objectif de la thèse Cette thèse portera sur la conception et la réalisation d’un prototype d’imageur X « durci » destiné à réaliser des images en rayonnement X du plasma de la microcible. Cet imageur comporte un bloc optique et un ensemble de détection. Le doctorant devra proposer des concepts innovants d’optiques et de détecteurs X résistant aux conditions d’exploitation du diagnostic : durcissement aux éclats et débris, éloignement des systèmes électroniques d’enregistrement de l’image en raison des risques d’éblouissement par les rayonnements nucléaires (neutrons et photons gamma).

Déroulement de la thèse Le travail de thèse sera découpé en plusieurs étapes, qui se déclinent de la façon suivante :

1 : Etude bibliographique et de synthèse des différents systèmes d’imagerie X existants sur les lasers de puissance. Il regardera en particulier l’état de l’art sur les imageurs et les détecteurs X.

2 : Calcul du terme source perturbant l’imageur avec un logiciel spécifique (type GEANT 4) en s’appuyant sur les compétences existantes du service et des moyens de calcul du CEA. Le but de ces simulations consistera à éliminer les architectures « vulnérables » à l’environnement.

3 : Durcissement des Optiques X - Les optiques X actuelles des imageurs sont essentiellement à base de miroirs et certains ont des dépôts de couches minces d’épaisseur nanométrique. L’un des problèmes du domaine X est l’absorption du rayonnement par les matériaux. Lorsque les miroirs sont soumis à des sources intenses de rayonnement il s’ensuit un échauffement qui peut endommager leur structure et modifier leurs propriétés. Les optiques sont susceptibles d’être soumises à des flux de neutrons avec des fluences importantes qui pourraient endommager les optiques. On regardera comment prendre en compte cet environnement pour la mesure. L’étape 2 permettra d’évaluer les fluences de rayonnement et de neutrons et de mieux quantifier l’endommagement des optiques.

4 : Détection X - Concept de nouveaux détecteurs X durcis, par exemple une chambre à fils dans une cellule à gaz de type MICROMEGAZ (Micro Mesh Gazeous Detector).

5 : Fabrication et validation expérimentale des briques de base (optiques, miroirs, détecteurs …) sur les moyens du service (générateurs de rayonnements X, plateforme laser Equinox …) ou, si nécessaire, sur des moyens plus lourds accessibles par le service (synchrotron).

6 : Définition et réalisation d’un prototype. Test et caractérisation du prototype sur des installations lasers.

7 : Mise en œuvre sur une installation laser de puissance à l’échelle 1 (exemple : LULI).

8 : Exploitation des résultats et rédaction du mémoire de thèse.

Les collaborations envisageables durant la réalisation de cette thèse sont : le Laboratoire de Chimie Physique, Matière et Rayonnement de l’université Paris VI, l’Institut d’Optique (IOTA), le Laboratoire Xenocs (Grenoble) pour la réalisation de couches minces, le Laboratoire d’Utilisation des Lasers Intenses (LULI/Polytechnique), le Laboratoire de Physique Chimie des matériaux luminescents (LCPML/ Lyon) et des industriels pour la fabrication des éléments du prototype.

A l’issue de sa thèse, l’étudiant sera formé aux techniques expérimentales d’imagerie dans le domaine X (et, plus généralement, à la mesure des rayonnements X), à la conception de diagnostics expérimentaux, de la conception jusqu’à la réalisation et à la caractérisation en laboratoire ou sur des installations du type laser de puissance. Il aura acquis une solide formation de l’interaction rayonnement matière et sera familiarisé à la physique et à la caractérisation d’un plasma thermonucléaire.

Directeur de thèse NC Contact A. RICHARD - CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00

Expérimentations et Instrumentation


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Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation

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 difficile pour plusieurs raisons. La première difficulté est liée à la nature « unilatérale » du béton qui résiste bien en compression et presque pas du tout en traction. Ceci est la cause de fissuration et d’endommagement (en général anisotrope) difficile à simuler. La deuxième difficulté est liée au caractère hétérogène du béton armé. 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. L’interaction entre les armatures et le béton qui est très hétérogène est complexe. Elle 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).

Face à cette difficulté, les chercheurs ont proposé des modélisations plus ou moins adaptées aux structures qu’ils considèrent. On peut distinguer plusieurs classes de modèle. 1. Les modèles basés sur la théorie de l’homogénéisation aboutissent à des lois de comportement liant les contraintes généralisées de poutre ou de plaque (efforts normaux, moments, …) aux déformations correspondantes. Leur point faible est de faire l’hypothèse d’un fort élancement qui n’est pas toujours vérifiée. 2. Les modèles multicouches représentent ces structures comme des couches indépendantes en interaction. Ces modèles sont très efficaces pour capter la flexion et les efforts d’interface. Elles ont cependant des difficultés pour tenir compte des cadres transversaux et des efforts tranchants. 3. La modélisation multi-échelle consiste à modéliser la plus grande partie de la structure par un modèle homogénéisé et une petite partie, siège des concentrations de contrainte par un modèle microscopique. La difficulté ici est le temps de calcul et la gestion de l’interface entre les deux modélisations. 4. Enfin, les modélisations de type réseau sont très anciennes. La plupart utilisent des réseaux réguliers périodiques dont les liens cassent au fur et à mesure de l’application du chargement. Ces modélisations exhibent souvent une anisotropie artificielle due à la géométrie du réseau ainsi que des effets d’échelle artificiels. Afin de pouvoir mieux appréhender certains risques environnementaux, le Laboratoire de Détection et de Géophysique (LDG) 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 que les approches citées ci-dessus et 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 TERA du CEA/DAM est un des moyens importants pour la réussite de cette thèse. Ce sujet nécessite des compétences, notamment, en analyse numérique et mécanique des matériaux. Il nécessite également une capacité à interagir avec différents experts de ces domaines. Directeur de thèse : Karam SAB (ENPC/LAMI) Contact Christian MARIOTTI CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00



Sujet Etude des propriétés physico-chimiques de matériaux énergétiques par simulation moléculaire

Contexte Les approches microscopiques numériques, qu'elles soient quantiques ou classiques, sont aujourd'hui couramment utilisées pour étudier les propriétés physico-chimiques des systèmes organiques. Le sujet de thèse proposé concerne l'étude des propriétés thermodynamiques et chimiques de matériaux énergétiques (explosifs tel que le TATB) et du mélange de ses produits de détonation par le biais de telles méthodes.

Déroulement de la thèse La première phase de ce travail consistera à optimiser un potentiel d'interactions spécifique, qui reproduise correctement les propriétés thermodynamiques du TATB (équation d’état), et en particulier les propriétés de sa phase solide (structure, coefficients de dilatation, module de compressibilité, chaleurs spécifiques, constantes élastiques, …). Pour cela, un outil spécifique développé en interne, l'ajusteur, permettant d’optimiser des potentiels complexes sur une large variété de données (expérimentales et ab initio), sera utilisé. La validation de ce potentiel sera effectuée par confrontation avec les résultats expérimentaux (courbes d’hugoniot et isothermes). Le travail concernant les produits de détonation sera centré autour de la prise en compte d’une phase solide en équilibre avec la phase fluide dans le code de Monte Carlo Réactif (Gibbs). Pour cela, une étroite collaboration entre l’étudiant et un stagiaire post-doctoral travaillant sur le sujet et financé par l’ANR (projet ANR SUSHI en collaboration avec l’Institut Français du Pétrole et les laboratoires universitaires de Paris-sud et de Clermont-Ferrand) est attendue. De même, cette seconde partie sera validée par confrontation avec l’expérience, et par comparaison avec des calculs de thermochimie.

Dans un second temps, les propriétés chimiques de l’explosif seront étudiées à l'aide de simulations de dynamique moléculaire classique réactive, afin d’en extraire les caractéristiques principales (code Stamp et potentiel ReaxFF).

Enfin, une dernière partie consistera à étudier différents aspects des propriétés de détonation du TATB. Deux thèmes seront en particulier abordés. Le premier concernera l’interaction d’un solide défectueux avec une onde de choc, impliquant la formation de points chauds où l’énergie est déposée préférentiellement. Le second, plus prospectif, concernera le développement d’un modèle mésoscopique réduit pour la simulation d’onde réactive présentant une zone de réaction hétérogène. Ce modèle est pour l’instant validé dans le cas d’un explosif simple à zone de réaction homogène.

Les simulations numériques de grandes tailles seront effectuées sur les supercalculateurs de la DAM (TERA 100) et du CCRT à l’aide des codes parallèles de Dynamique Moléculaire (Stamp) et de Monte Carlo (Gibbs) développés en interne.

Le candidat aura donc l’opportunité d’acquérir une expérience importante en modélisation des interactions interatomiques, ainsi que dans l’utilisation d’un grand nombre de techniques de simulations numériques (dynamique moléculaire quantique et classique, Monte Carlo, …).

Directeur de thèse : B. ROUSSEAU (Université Paris-Sud XI)

Contact J.B. MAILLET CEA/DAM/Ile-de-France 01 69 26 40 00



Sujet Etude d'équations intégrales dans le domaine spectral concernant la diffraction d'ondes électromagnétiques par des corps polygonaux 2D

Contexte L'étude se déroule dans le cadre de la modélisation par des méthodes analytiques de la diffraction des ondes électromagnétiques par des objets 2D et 3D possédant des discontinuités de géométrie et/ou de caractéristiques physiques. Les méthodes spectrales développées permettent d'anticiper le comportement de contributeurs imparfaitement conducteurs de géométrie simple dans un objet complexe, pour la détermination du champ diffusé. Elles offrent l’avantage d’être rapides contrairement aux outils de simulation classiques, de type éléments finis par exemple, et permettent de plus de valider ces derniers.

Nous avons récemment jeté les bases d'une méthode globale concernant la diffraction par des corps polygonaux 2D imparfaitement conducteurs, à la suite de celle que nous avions définie pour un plan à trois parties.

Cette méthode originale, basée sur la représentation intégrale de Sommerfeld-Maliuzhinets des champs, permet de réduire le problème à des équations simples dans le plan complexe. Pour cela, nous utilisons une expression générale en champ de la fonction spectrale, déjà considérée pour le problème du plan à plusieurs parties, et déformons le contour d'intégration, ce qui est possible du fait du second théorème de Green. Il devient alors possible de dériver des équations fonctionnelles sur les fonctions spectrales dont nous pouvons déduire des équations intégrales.

Appliquant cette approche au polygone semi-infini à trois parties, le problème est ainsi réduit pour la première fois à un système d'équations de Fredholm non-singulières de seconde espèce, particulièrement adapté pour des approximations ou une inversion numérique. On remarquera que, dans le cas d'un plan à trois parties ou celui d'un polygone symétrique, le système d'équations intégrales peut être découplé.

Objectif de la thèse La thèse sera consacrée à l'étude et à l'exploitation de ces équations intégrales et à leur généralisation, depuis l’approfondissement des propriétés mathématiques des fonctions jusqu’aux calculs numériques des champs proprement dits. Elle se déroulera dans le cadre des études menées au LRC Meso (CEA/ENS-Cachan) et sera supervisée par J.M.L. Bernard.

Directeur de thèse : J.M. BERNARD CEA/DAM/Ile-de-France

Contact J.M. BERNARD CEA/DAM/Ile-de-France 01 69 26 40 00



Sujet Discrétisation du modèle de transfert radiatif Pn non linéaire en dimension 2 d’espace sur maillages non structurés Contexte Pour la simulation des expériences de fusion par confinement inertiel, il est nécessaire de modéliser le transport instationnaire des photons dans la matière. Ce phénomène peut être décrit par un système d´équations couplées qui a pour solutions l’intensité radiative et la température matière. La résolution numérique de ce système présente essentiellement deux difficultés. D’une part, compte tenu de la vitesse des photons, la discrétisation temporelle de cette équation doit être implicite pour s’affranchir de la condition CFL. D’autre part, dans un milieu opaque, le processus d’émission-absorption devient prépondérant et les photons suivent alors un mouvement brownien. Dans ces conditions, le système d’équations peut être approché par une équation de diffusion sur la température matière. La résolution numérique du système d’équations doit permettre de retrouver la solution de l’équation de diffusion sur un maillage adapté à sa résolution, beaucoup moins contraignant que celui résolvant l’échelle du transport. Lorsqu’un schéma possède cette propriété, on dit qu’il admet la limite diffusion. On peut utiliser deux types de modélisation pour traiter le transport des photons : • la première modélisation est basée sur la résolution de l’équation du transport dont l’inconnue, l’intensité radiative, dépend de la direction des particules, • la seconde modélisation s’appuie sur une approximation angulaire de l’intensité radiative qui conduit à un système dont les inconnues sont les moments de l’intensité radiative et la température matière. Ce système est appelé modèle Pn. La première modélisation n’est pas entièrement satisfaisante car, après discrétisation angulaire, elle conduit à un système d’´equations qui ne possède pas l’invariance par rotation. C’est pourquoi, nous lui préférons la seconde qui ne présente pas ce défaut bien qu’elle ne possède pas la positivité du moment d’ordre 0 en dimension deux d’espace. Objectif de la thèse L’objectif de cette thèse est d’améliorer le modèle Pn à l’aide d’une fermeture non linéaire assurant la positivité du moment d’ordre 0 et de proposer une discrétisation implicite en temps qui respecte la limite diffusion. Déroulement de la thèse Pour commencer, on analysera le caractère hyperbolique du modèle et sa réalisabilité en une dimension d’espace. Le modèle sera implémenté avec une discrétisation par des éléments finis linéaires discontinus. On s’assurera que cette technique préserve la réalisabilité du modèle. En particulier, on devra mettre en œuvre des méthodes de limitation de pente qui préservent la limite diffusion du schéma. Ensuite, ce travail sera étendu à la dimension deux d’espace. Outre l’hyperbolicité et la réalisabilité du modèle, on étudiera son invariance par rotation. La discrétisation s’appuiera sur des éléments finis linéaires discontinus adaptés aux maillages non structurés. Directeur de thèse Frédéric PASCAL, CMLA Cachan Contacts P. CARGO et G. SAMBA, CEA/DAM Ile de France 01 69 26 40 00



Sujet Étude des interactions entre plusieurs ordonnanceurs sous contraintes différentes - Application à l'ordonnancement d'un système informatique de grande puissance

Contexte Très tôt dans l'histoire de l'informatique, les calculateurs scientifiques ont été partagés entre plusieurs programmes, entre plusieurs utilisateurs. Les utilisateurs (personnes humaines, entités hiérarchiques, ...) soumettaient des travaux avec des exigences politiques (urgence, priorité, impératif temps réel, coût financier, quotas, ...) et des besoins en ressources (temps de calcul, nombre de processeurs, taille mémoire, ...). Les exploitants de ces machines avaient pour objectifs principaux d'une part la satisfaction des contraintes politiques, d'autre part le remplissage des machines. Ces deux objectifs sont souvent contradictoires. Suivant l'importance accordée à un objectif ou à l'autre, l'ordre de soumission des travaux peut varier largement.

Aujourd'hui, une nouvelle contrainte est apparue, qui prend une importance croissante. Il s'agit de l'empreinte environnementale du centre de calcul. L'exécution des travaux demandés par les utilisateurs implique une consommation de flux (électricité, frigories pour refroidir les machines, ...) peut-être de consommables (CD à écriture unique, mémoire de masse à nombre limité d'écriture, ...). L'objectif est ici de diminuer la consommation globale.

Objectif de la thèse Il s'agit d'optimiser le fonctionnement d'un calculateur suivant certaines contraintes. La charge du calculateur est constituée d'un flux continu de travaux à exécuter. Chaque travail possède un certain nombre de caractéristiques connues avant sa mise en exécution (ressources demandées: nombre de processeurs, mémoire, ...) et après sa fin (consommation d'énergie, consommation effective de ressources, facturation, ...)

L'ordonnancement est réalisé par trois entités :

- un composant en charge des ressources. Son but est de remplir au maximum la machine.

- un composant en charge de la politique d'allocation. Son but est de satisfaire au plus près une contrainte politique. Ici, il s'agira d'approcher des quotas d'exécution affectés à chaque division.

- un composant en charge de la consommation d'énergie. Son but est de minimiser la consommation de la machine.

L'objectif de la thèse est, d'une part, de proposer des heuristiques de fonctionnement pour chacun des composants, suivant différentes contraintes. D'autre part, dans ce cadre, de spécifier les informations qu'ils doivent échanger pour que l'ensemble puisse fonctionner de façon harmonieuse.

Déroulement de la thèse Une première étape sera constituée d'une recherche bibliographique. Par la suite, il sera demandé la construction d'un modèle numérique qui simule le comportement du calculateur.

Pour la gestion de l'énergie, il faudra envisager une base de données des consommations qui sera enrichie par les exécutions successives des travaux. La consommation prévue d'un nouveau travail sera estimée à partir des consommations passées de travaux de caractéristiques similaires. Une attention particulière sera apportée à la modélisation du flux continu de travaux en entrée. Chacun des 3 composants sera modélisé avec une fonction d'évaluation permettant de mesurer dynamiquement la performance du composant par rapport à ses objectifs. Différentes stratégies seront testées. Suivant les stratégies, les besoins en communication entre les composants peuvent varier. Il faudra qualifier ces besoins.

Directeur de thèse : Laurent HARDOUIN (ISTIA)

Contact : Jacques NOE - CEA/DAM/Ile de France 01 69 26 40 00



Sujet Algorithmes de génération de maillages hexaédriques structurés par blocs basés sur la notion de maillage fondamental hexaédrique

Contexte Dans le domaine du calcul scientifique, les méthodes numériques utilisées pour modéliser un phénomène physique reposent principalement sur une discrétisation en éléments simples tels des hexaèdres. Plusieurs algorithmes robustes existent pour générer automatiquement un maillage tétraédrique pour une géométrie quelconque. Il n’en va pas de même pour la génération de maillages hexaédriques où un traitement manuel est souvent nécessaire. La génération d’un maillage hexaédrique peut alors devenir une activité complexe et coûteuse. L’objectif de cette thèse est de proposer et évaluer de nouveaux algorithmes permettant la génération automatique de maillages hexaédriques.

Il est possible de classer les algorithmes de génération de maillages selon leur degré de généralité : certains algorithmes s’appliquent à des géométries bien particulières (géométries élémentaires, géométries 3D obtenues par rotation et/ou extrusion de géométries 2D, assemblage des géométries précédemment citées) tandis que d’autres s’appliquent à des géométries 3D quelconques. Les algorithmes de la seconde catégorie sont fréquemment basés sur des règles locales qui, par combinaisons successives, permettent de mailler totalement la géométrie en tétraèdres. Il reste que de tels algorithmes « locaux » ne peuvent générer des maillages hexaédriques. Ceci résulte de leur structure topologique globale en couches de mailles. Il faut donc tenir compte de cette structure pour générer un maillage hexaédrique.

Des auteurs ont introduit la notion de maillage hexaédrique fondamental afin de caractériser la relation qui existe entre les surfaces bordant l’objet géométrique et les couches de mailles formant la structure topologique du maillage. En s’appuyant sur cette notion, il est possible de guider la génération de maillages hexaédriques de manière moins locale : pour chaque surface géométrique, chaque courbe géométrique et chaque sommet géométrique, on classe les couches de mailles adjacentes. Des premiers travaux témoignent de la faisabilité d’une telle démarche pour des géométries 3D où tous les sommets sont de valence 3 ou 4. Le maillage généré est alors un maillage hexaédrique structuré par blocs, comparable à ceux obtenus manuellement avec des outils de maillage commerciaux.

Objectif de la thèse Proposer et évaluer de nouveaux algorithmes permettant de générer un maillage hexaédrique structuré par blocs pour une grande variété de géométries 3D.

Déroulement de la thèse Une étude a fourni une classification incomplète des couches de mailles au bord. Une première partie du travail consistera donc à fournir une classification plus précise permettant de tenir compte d’une plus grande variété de géométries 3D. A partir de cette classification, nous connaitrons l’agencement des couches de mailles au voisinage du bord géométrique. L’essentiel du travail de thèse consistera alors à proposer une méthode pour déterminer comment ces couches de mailles se rencontrent à l’intérieur du volume à mailler. La génération du maillage sera alors effectivement appréhendée de manière globale. Il faudra notamment étudier deux problèmes :

1. La résolution d’un système de contraintes topologiques portant sur les couches de mailles « démarrant » du bord de la géométrie, et qui doivent être assemblées en couches complètes ;

2. La caractérisation et l’obtention d’une « meilleure » solution à ce système de contraintes. Un tel système admet en effet plusieurs solutions parmi lesquelles l’une sera meilleure d’un point de vue géométrique.

Dans la recherche d’une solution on s’aidera de techniques d’analyse telles que la subdivision de maillages volumiques et la généralisation en trois dimensions du tenseur de courbure.

Moyens mis à disposition: stations de travail Linux, logiciels préexistants (bibliothèque de structures de maillages, bibliothèque géométrique OpenCascade).

Directeur de thèse : Georges-Pierre BONNEAU (Université Joseph Fourier, LJK UMR 5224 et INRIA).

Contact B. SCHEURER - CEA/DAM/Ile de France 01 69 26 40 00



Sujet Contribution à l'élaboration de méthodes de tolérance aux pannes dans le cadre du calcul hautes performances

Contexte Dans le cadre du calcul scientifique intensif, la quête des hautes performances se heurte actuellement à la complexité croissante des architectures des machines parallèles. Ces dernières exhibent notamment un très grand nombre de cœurs et de nœuds de calcul. Sur de telles configurations, la probabilité de pannes lors de l’exécution d’un calcul devient significative. Il convient donc de se prémunir contre de tels phénomènes en proposant des mécanismes de tolérance aux pannes qui permettent de poursuivre les calculs dans le cas ou certains composants (cœur de calcul, réseaux d’interconnexion, système d’exploitation, …) venaient à être défaillants.

Cette thèse s'inscrit dans le prolongement de travaux qui ont conduit à la création de la bibliothèque MPC. MPC est une bibliothèque de communication par passage de message avec une interface proche du standard MPI. Cette bibliothèque a été développée au CEA. Elle est conçue et optimisée pour le calcul scientifique sur architecture de type grappe de machines à mémoire hiérarchique, comme TERA 100 et TERA 1000. L'une des particularités de MPC est d'utiliser le multithreading pour son fonctionnement interne et permettre ainsi l'équilibrage de charge par migration de tâches.

Cette thèse se présente aussi comme une extension de la thèse de François Diakhaté sur l’utilisation des machines virtuelles dans le cadre du calcul hautes performances. En effet ces dernières présentes des caractéristiques très intéressantes (migration, abstraction matérielles, …) pour permettre la mise en place de mécanisme de tolérance aux pannes dans le cade du calcul hautes performances.

Enfin, cette thèse pourra s’inspirer des méthodes de tolérances aux pannes mise en place dans le contexte du calcul sur la grille.

Objectif de la thèse Le but de cette thèse est de concevoir des méthodes de tolérances aux pannes compatibles avec une exécution de type HPC :

- Faible empreinte mémoire du mécanisme de tolérance aux pannes, - Impact faible sur les performances en régime permanent hors pannes, - Extensibilité à un très grand nombre de tâches, - Compatibilité avec les modèles de programmation mémoire distribuée (MPI) et mémoire partagée (Pthread ou OpenMP), - Gestion des réseaux rapides. Déroulement de la thèse : Le plan de travail de la thèse va être le suivant :

• 4 mois de bibliographie et d'état de l'art de la virtualisation et des mécanismes de tolérance aux pannes sur la grille.

• 6 mois de mise en place d’un protocole de détection des pannes sur réseau rapide de type InfiniBand et reconfiguration du réseau de communication sur un nombre restreint de nœuds sur erreur.

• 6 mois de mise en place d’un mécanisme de réplication asynchrone de machines virtuelles sur un nœud distant pour la création incrémentale de points de reprise et d’un mécanisme type protection-reprise interne sur /tmp de nœud voisin.

• 6 mois d’intégration des algorithmes et méthodes mise en place dans l’environnement MPC virtualisé.

• 8 mois d’évaluation des performances du système sur différentes tailles de machines et sur des benchmarks standards (LinPack, Specs, NAS) ainsi que des applications réelles (au moins une évaluation à très grande échelle sur TERA-100).

• 6 mois : dernières évaluations et rédaction du mémoire de thèse.

Directeur de thèse William JALBY (Université Versailles Saint-Quentin en Yvelines) ou Raymond NAMYST (Université Bordeaux 1)

Contact Marc PERACHE - CEA/DAM Ile de France 01 69 26 40 00



Sujet Contribution à l'élaboration de méthodes d’optimisation de la gestion mémoire dans le cadre du calcul haute performance

Contexte Dans le cadre du calcul scientifique intensif, la quête des hautes performances se heurte actuellement à la complexité croissante des architectures des machines parallèles. Ces dernières exhibent notamment une hiérarchie importante des unités de calcul et des mémoires, ce qui complique considérablement la conception des applications parallèles, en particulier dans le cadre d'applications ayant une charge déséquilibrée. Dans ce contexte, on constate que l’impact du système d’exploitation sur les performances des applications est très significatif. Ceci est particulièrement vrai en ce qui concerne la gestion mémoire. De plus, l’évolution des architectures des supercalculateurs vers le massivement parallèle entraine une raréfaction de la ressource mémoire par cœur de calcul. Il est donc crucial que le système d’exploitation puisse réduire au strict minimum l’empreinte mémoire des codes.

Cette thèse s'inscrit dans le prolongement de travaux qui ont conduit à la création de la bibliothèque MPC. MPC est une bibliothèque de communication par passage de message avec une interface proche du standard MPI. Cette bibliothèque a été développée au CEA. Elle est conçue et optimisée pour le calcul scientifique sur architecture de type grappe de machines à mémoire hiérarchique, comme TERA 100 et TERA 1000. L'une des particularités de MPC est d'utiliser le multithreading pour son fonctionnement interne et permettre ainsi l'équilibrage de charge par migration de tâches.

Cette thèse fait suite à un stage sur l’optimisation de l’utilisation des caches qui a montré la sensibilité des codes, en terme de performances, à l’allocation mémoire. Ce stage avait aussi permis de prototyper un module noyau Linux qui corrigeait une partie seulement des problèmes mis en évidence.

Objectif de la thèse Le but de cette thèse est de concevoir des méthodes d’optimisation dans le cadre du calcul haute performance du système d’exploitation Linux et en particulier la gestion mémoire. Les optimisations porteront sur deux axes. Le premier axe est celui de l’optimisation de l’utilisation des mémoires caches des processeurs et donc des performances des applications. Le deuxième axe est celui de la réduction de l’empreinte mémoire des applications parallèles sans modification du code de calcul. La pertinence de ces travaux sera évaluée sur des machines parallèles de grande taille, comme la machine TERA 100 du CEA/DAM Île-de-France. Ces travaux doivent permettre d’étendre l’efficacité séquentielle et parallèle des codes de calcul sans modification de ces derniers. Cette approche d’optimisation par le système d’exploitation doit aussi permettre la simplification de la conception des codes : suppression des indirections, réplication de domaine paresseuse, gestion transparente d’un grand nombre de constantes, …

Déroulement de la thèse Le plan de travail de la thèse va être le suivant :

• 4 mois de bibliographie et d'état de l'art, évaluation des approches utilisées sur différents systèmes d’exploitation (Windows, Linux, OpenSolaris, FreeBSD, micro noyaux, …) et évaluation des travaux antérieurs présentés ci-dessus.

• 6 mois de mise en place d’un module noyau Linux permettant d’optimiser l’utilisation des caches (algorithmes de distribution des pages physiques vers virtuelles).

• 6 mois de mise en place d’un mécanisme de factorisation des données communes aux différentes tâches d’un même processus (factorisation des pages physiques identiques et réplication en cas d’écriture par « copy on write »), puis extension de cette méthode au niveau du nœud de calcul NUMA.

• 6 mois d’intégration des méthodes mise en place dans l’allocateur MPC et la Glibc pour obtenir une chaîne d’allocation optimisée HPC complète.

• 8 mois d’évaluation des performances du système sur différentes tailles de machines et sur des benchmarks standards (LinPack, Specs, NAS, …) ainsi que des applications réelles (au moins une évaluation à très grande échelle sur TERA-100).

• 6 mois : dernières évaluations et rédaction du mémoire de thèse.

Directeur de thèse William JALBY (Université Versailles Saint-Quentin en Yvelines)

Contact Marc PERACHE CEA/DAM Ile de France 01 69 26 40 00



Sujet Exploitation de matériel spécialisé (GPU) dans un contexte multi-modèle de programmation (MPI/OpenMP) pour supercalculateur hybride.

Contexte Dans le domaine du calcul haute performance, les supercalculateurs évoluent en intégrant à présent du matériel spécialisé (type GPU). En effet, chaque nœud de calcul peut posséder une ou plusieurs ressources supplémentaires sous la forme d’unités de calcul déportées extrêmement performantes. Par exemple, la nouvelle machine de puissance du CCRT Titane est un cluster composé de processeurs Nehalem Intel et de GPUs Tesla Nvidia. Mais leur exploitation n’est pas triviale et nécessite, dans le contexte du calcul scientifique, une utilisation fine de toutes les ressources disponibles dans un environnement multi-modèles de programmation. Ainsi, l’utilisation exclusive de ce matériel spécialisé n’est pas actuellement viable pour de larges applications scientifiques, motivant alors le développement d’une plateforme permettant l’intégration de ceux-ci dans d’autres modèles de programmation type mémoire distribuée (MPI) et mémoire partagée (OpenMP).

Plusieurs solutions sont déjà proposées pour tenter de répondre à ce problème. StarPU est une bibliothèque développée au LABRI (Univ. Bordeaux I) permettant de gérer l’ordonnancement d’accès aux GPUs grâce à des connaissances sémantiques de l’application. Ainsi, le runtime peut décider d’exécuter tout ou une partie du travail à déporter sur GPU. Il existe également des travaux plus en amont, proposant un langage ou une extension d’un langage existant afin de faciliter la gestion, au niveau source, des accès aux GPUs. HMPP est un outil développé par CAPS Entreprise proposant un langage à base de directives pour gérer automatiquement le déport de données et le lancement de code sur GPU. Une approche similaire est Cetus : un compilateur développé à l’Université de Purdue permettant de transformer une application OpenMP en code s’exécutant sur CPUs et/ou GPU. Ces approches ne proposent pas une représentation unifiée des modèles de programmation pour processeurs généralistes et processeurs spécialisés. De plus, elles ne proposent pas forcément la généralisation au parallélisme inter-nœud disponible sur un cluster hybride de type CPUs/GPUs.

Objectif de la thèse Le but est de concevoir et d’implémenter des méthodes permettant de gérer l’accès à des matériels spécialisés de manière efficace et performante dans une application scientifique utilisant différents modèles de programmation parallèle s’exécutant sur un supercalculateur hybride de type cluster de CPUs/GPUs. Cette thèse s’appuiera sur le support exécutif open-source MPC développé au sein du CEA/DAM Ile-de-France, unifiant déjà les modèles de programmation parallèle MPI, Pthread et OpenMP, ainsi que sur sa chaîne de compilation basée sur le compilateur GNU GCC.

Déroulement de la thèse Le plan de travail de cette thèse sera le suivant : après une étude bibliographique sur les solutions existantes ainsi que sur les différentes architectures de matériels spécialisés (GPUs Nvidia et AMD-ATI, Intel Larabee, Architecture Fermi NVidia, …), la première étape sera de mettre en place un support exécutif afin d’utiliser ces ressources de manière concurrente dans la plateforme MPC. Une simple gestion des accès aux GPUs présents sur le nœud en contexte MPI et/ou OpenMP semble être un premier objectif raisonnable, à la fois en terme de fonctionnalités et de transparence vis-à-vis du développeur. Dans un second temps, il conviendra d’évaluer cette plateforme et de proposer des optimisations. Cette phase sera dirigée par les applications et benchmarks internes permettant une évaluation sur de « vrais » codes scientifiques pour le HPC (solveurs CFD, MHD, transport). Par la suite, plusieurs pistes seront à traiter. Cette plateforme pourra être augmentée grâce à des modèles plus intelligents d’équilibrage de charge et/ou de décisions dynamiques visant une amélioration des performances. De plus, une analyse statique du code à déporter pourrait aider les décisions prises à l’exécution. Le langage CUDA et/ou OpenCL semble être un bon candidat pour ce type d’analyse. Enfin, la partie exposée au développeur peut être améliorée en proposant une API minimale ainsi que, potentiellement, des évolutions du langage pour permettre une meilleure expressivité du calcul déporté.

Nous pouvons résumer le plan de travail ainsi :

- 5 mois de bibliographie sur l’architecture et le modèle d’exécution des GPUs (et autres futures architectures Larabee, Fermi, …) ainsi que sur la plateforme MPC et sa gestion des threads. - 6 mois de mise en place d’un support exécutif afin d’utiliser les accélérateurs de manière concurrente dans la plateforme MPC : gestion et ordonnancement des accès aux GPUs présents sur le nœud en contexte MPI et/ou OpenMP. - 3 mois sur l’évaluation et l’optimisation dirigée par les applications et benchmarks internes. Ces évaluations se feront sur un supercalculateur hybride CPUs/GPUs. - 6 mois sur l’évolution potentielle vers un modèle dynamique plus intelligent. - 4 mois sur la prise en compte d’une analyse statique pour améliorer les décisions du runtime et ainsi augmenter les performances. - 6 mois sur l’interface avec le programmeur (API et langage exposés aux développeurs) en fonction des langages déjà existants (CUDA, OpenCL, HMPP, extensions PGI, extensions OpenMP, …). - 6 mois de rédaction de thèse avec quelques dernières évaluations si nécessaire Directeur de thèse Albert COHEN, Directeur de Recherches - INRIA Saclay

Contact B. SCHEURER CEA/DAM Ile de France 01 69 26 40 00



Sujet Analyse statique/dynamique/itérative pour la validation et l’amélioration des applications parallèles multi-modèles (MPI/OpenMP/OpenCL) sur supercalculateur hybride de type cluster de CPUs/GPUs.

Contexte Malgré l’apparition de modèles relativement précis et maintenant répandus, la programmation parallèle reste relativement complexe. Plusieurs modèles de programmation exposant des interfaces différentes sont à présent proposés aux programmeurs afin d’exprimer le parallélisme d’une application. Mais la vérification ainsi que l’évaluation des performances restent très restreintes. Des outils ont été proposés afin de pallier à ce problème : debugger, profiler, analyseur statique généraliste, analyseur semi-statique (interprétation de code et compilation à la volée), … Mais la plupart de ces outils est soit très restreint soit non adapté à l’échelle d’un supercalculateur avec du matériel spécialisé (cluster de CPUs/GPUs).

Il existe néanmoins un véritable besoin de posséder une chaîne d’outils permettant de diriger l’utilisateur vers un code parallèle multi-modèle correct et performant. Ceci nécessite alors une connaissance profonde de la chaîne de compilation/exécution. Le compilateur peut déjà, moyennant une connaissance sémantique poussée grâce à la maîtrise de la plateforme d’exécution et/ou des informations fournies par le développeur, analyser une partie du code et déterminer sa pertinence. De plus, il peut facilement transférer des informations vers un outil statique/dynamique collectant des informations lors de l’exécution du programme et analysant celle-ci pendant ou après l’exécution.

Objectifs de la thèse Cette thèse a pour objectif de développer un ensemble d’analyses et de méthodes permettant l’évaluation de la pertinence d’une application parallèle mélangeant plusieurs modèles de programmation dans le but de s’exécuter sur un supercalculateur hybride de type cluster de CPUs/GPUs. Cette thèse s’appuiera sur le support exécutif open-source MPC développé au sein du CEA/DAM Ile-de-France, unifiant déjà les modèles de programmation parallèle MPI, Pthread et OpenMP ainsi que sur sa chaîne de compilation basée sur le compilateur GNU GCC afin de profiter d’une base solide. De plus, il sera possible de s’appuyer sur des outils comme ceux développés par Valgrind afin d’utiliser une plateforme dynamique robuste.

Déroulement de thèse Le plan de travail de cette thèse sera le suivant : après une étude bibliographique des algorithmes et outils d’analyse de performance et de validation, la première étape consistera en une prise de connaissance des différents modèles de programmation parallèle avec, comme support, la plateforme d’exécution MPC. Ensuite, deux pistes pourront être étudiées : la première concerne l’analyse statique dans le compilateur, en intégrant la sémantique OpenMP afin de déterminer la viabilité de certaines directives. Ceci pourrait être fait grâce au support de la parallélisation automatique se basant sur le modèle polyhédrique dans GCC. Tout ceci pourra alors être étendu pour différents modèles de programmation. La seconde piste concerne une étude statique/dynamique avec exécution du code, collecte d’informations et compilation à la volée. Dans ce cas, la connaissance du runtime sous jacent est obligatoire pour développer des méthodes et des analyses de validation de programme. On pourrait alors imaginer des méthodes déterminant les effets de la cohérence de cache dans une application OpenMP sur un nœud de calcul. Tout cela pourra s’appuyer sur la plateforme libre Valgrind représentant un support robuste pour l’analyse dynamique et la compilation à la volée. Enfin, l’interaction entre ces deux univers devra être étudiée afin de focaliser les analyses sur certaines parties de l’application. Une attention toute particulière devra être portée sur l’aspect parallèle de ces collectes et analyses. Les processeurs spécialisés (type GPU) pourront également être utilisés pour permettre des analyses plus complexes.

Nous pouvons résumer le plan de travail ainsi : - 6 mois de bibliographie sur les outils d’analyse de performance et les algorithmes de validation de programme parallèle ainsi

que leur environnement (GCC, Valgrind, …) - 4 mois sur la mise en place d’une interaction entre les analyses de parallélisation automatique et les parties transformation

de code dans une chaîne de compilation comme GCC. - 3 mois sur l’évaluation de l’optimisation de cette interaction sur des applications et benchmarks internes afin de valider

l’approche - 7 mois sur l’étude et le développement de techniques dynamiques avec collecte d’informations permettant d’étudier non

seulement la validité d’une application mais aussi ses performances parallèles. Cette partie débutera avec le modèle de programmation OpenMP, mais il n’est pas exclu de considérer d’autres modèles bien définis comme CUDA ou OpenCL.

- 4 mois sur la validation de cette étude, en prenant la précaution de vérifier l’aspect parallèle de l’analyse - 6 mois sur l’interaction possible entre ces différents éléments avec la mise en place d’un passage d’informations. Ceci pourra

permettre la simplification de certaines analyses ainsi que le développement de nouvelles. - 6 mois sur la rédaction du mémoire de thèse et les dernières évaluations.

Directeur de thèse Albert COHEN, Directeur de Recherches INRIA Saclay ([email protected])

Contact B. SCHEURER CEA/DAM Ile de France 01 69 26 40 00



Sujet Etude de l'instabilité des fronts d'ablation en épaisseur finie dans le cadre de la fusion par confinement inertiel

Contexte Le sujet proposé s'inscrit dans le cadre des travaux, actuellement en cours au CEA/DAM, visant à obtenir l'allumage de réactions de fusion thermonucléaire par compression, au moyen de lasers de forte puissance, d'une capsule de deutérium-tritium. On parle dans cette configuration de fusion par confinement inertiel (FCI). De telles expériences seront réalisées sur l'installation Laser MégaJoule (LMJ) en cours de construction en Aquitaine. La fusion par confinement inertiel consiste ainsi à irradier la face externe d'une capsule sphérique contenant un mélange fusible par un puissant rayonnement. Le front d'ablation, ainsi créé, est soumis à une forte accélération due à la pression du plasma produit par la matière irradiée. Ces fronts sont le siège d'une violente instabilité du type "Rayleigh-Taylor" qu'il importe de bien caractériser pour maîtriser l'efficacité du confinement. L'instabilité des fronts d'ablation a fait l'objet, depuis plus d'un quart de siècle, de nombreuses études expérimentales, numériques et théoriques, principalement développées pour ces dernières dans le cadre de l'approximation de deux milieux semi-infinis. Cependant le caractère fini des milieux considérés n'est pas négligeable en pratique.

Objectifs de la thèse Le sujet de thèse proposé a pour objectif d'analyser ces effets d'épaisseur finie, afin de comprendre et de caractériser les couplages d'interfaces et les phénomènes de percement de capsule. Les résultats de l'étude en géométrie plane pourront être comparés à des expériences faites au Etats-Unis (Rochester) et analysées au CEA/DAM. On s'attachera à décrire la phase linéaire analytiquement par des méthodes de perturbation. La phase non linéaire quant à elle pourra être étudiée par l'analyse numérique d'un modèle simple grâce à des méthodes d'intégrales de frontières. L'étude en géométrie sphérique permettra de donner des critères de percement de capsule.

Déroulement de thèse Ces travaux auront lieu dans un environnement stimulant, impliquant une collaboration entre un laboratoire de conception des futures expériences lasers (CEA/DAM/DIF) et des chercheurs universitaires (Laboratoire J.-L. Lions, IRPHE Marseille).

Directeur de thèse Josselin GARNIER (Laboratoire J.-L. Lions, Université Paris VII)

Contact L. MASSE CEA/DAM Ile de France 01 69 26 40 00



Sujet : Simulation numérique d’impact de particules de zircone yttriée en vue de la construction d’un dépôt et de l’analyse de ses propriétés

Contexte : La projection thermique permet de créer des revêtements de céramique sur des pièces fonctionnelles afin d’améliorer leur fonction d’usage. En introduisant des particules de céramiques dans un flux gazeux à haute vitesse et haute température, ces particules sont accélérées et fondues et viennent s’écraser sous forme de lamelles plus ou moins régulières, voire déchiquetées, qui vont constituer un dépôt plus ou moins épais par empilements successifs. Le Laboratoire de Projection Thermique du CEA Le Ripault a entrepris depuis quelques années la simulation numérique du procédé. Ainsi, si l’introduction des particules dans la veine plasma et les interactions plasma/particules sont bien maîtrisées (à l’aide du code FLUENT), il reste à poursuivre les efforts afin d’étudier les interactions particules/substrats à petite échelle (celle des particules) dans lesquelles interviennent de nombreux paramètres thermiques, cinétiques, physico-chimiques ou mécaniques liés soit au substrat soit à l’état thermo cinétique des particules. La littérature montre de nombreuses études expérimentales sur l’étalement de particules individuelles sur des substrats lisses ou rugueux. Elle contient également des travaux de simulation qui datent d’une dizaine d’années sur l’étalement de gouttes d’étain sur un substrat lisse. A notre connaissance, rien n’a été appliqué à la projection de particules issues d’un procédé plasma. Objectif de la thèse : En dehors de l’aspect des études fondamentales, l’objectif poursuivi ici est de chercher quels sont les paramètres essentiels qui gouvernent la construction du dépôt et qui conduisent à une porosité résiduelle de l’ordre de 5%. Ainsi, on cherchera non pas à simuler l’impact d’une particule individuelle sur le substrat mais à simuler les interactions d’une dizaine a minima de particules, d’états thermocinétiques et de tailles divers entre elles. Pour cela, les résultats des simulations plasma/particules issus des calculs avec FLUENT serviront de données d’entrée. L’objectif est de simuler complètement un dépôt de quelques microns d’épaisseur et de déterminer la porosité en fonction des paramètres physico-chimiques. Déroulement de la thèse : Ce sujet de thèse est proposé en partenariat avec l’ENSCPB de l’Université de Bordeaux qui maîtrise l’aspect modélisation des écoulements diphasiques anisothermes à petite échelle et les méthodes numériques du code THETIS. Dans un premier temps, le doctorant s’intégrera à l’équipe de l’ENSCPB afin de bien appréhender l’architecture du code et ses fonctionnalités, ceci afin de pouvoir développer les modules nécessaires à la mise en place de la simulation. Par la suite, il rejoindra le laboratoire de projection thermique du CEA au RIPAULT (à côté de TOURS) pour valider les développements effectués et comparés ses résultats avec des expériences de base. Directeur de thèse : Stéphane VINCENT (Université de Bordeaux 1)

Contact : CEA DAM Le Ripault, Erick MEILLOT 02 47 34 40 00



Sujet Modélisation de la stabilité des substances organiques et de leur décomposition

Contexte L’estimation de la stabilité des substances organiques revêt une importance croissante. En effet, le risque pyrotechnique induit par le stockage de produits chimiques fait l’objet d’une attention accrue de la part des industriels et organismes publics. Ces derniers sont donc à la recherche de modèles permettant d’évaluer a priori les risques associés à certaines substances, les critères communément utilisés n’étant pas satisfaisants. Le Centre d’Etudes du Ripault est particulièrement concerné du fait de son intérêt pour les explosifs.

Objectif de la thèse Il s’agit d’une part d’acquérir une meilleure compréhension des mécanismes de décomposition de substances organiques soumises à des sollicitations mécaniques et thermiques, d’autre part de développer des outils prédictifs pour évaluer la stabilité de ces substances, et en particulier certaines propriétés comme les points éclair, températures de décomposition, sensibilités mécaniques. Le développement de ces outils constitue une nécessité pour l’industrie chimique, dans le cadre des nouvelles réglementations associées au programme REACH.

Déroulement de la thèse Etat de l’art. Du point de vue expérimental, le risque pyrotechnique est caractérisé par diverses propriétés caractérisant la réponse du matériau à des solicitations thermiques (températures de décomposition, d’explosion…) ou mécaniques (sensibilités au choc, à l’impact…). Celles-ci sont très complexes car elles dépendent non seulement de la structure des molécules, mais aussi de leurs mécanismes de décomposition. Par conséquent, les tentatives de modélisation sont peu nombreuses. La seule approche bien établie repose sur des critères purement empiriques, évalués à partir de paramètres additifs. En dépit de ses limites évidentes et bien identifiées (Shanley et al. 1995) aucune méthode alternative ne s’est imposée. En effet, les travaux récents, qui consistent pour la plupart à corréler de manière purement empirique les données disponibles avec des descripteurs moléculaires, n’ont pas conduit à des progrès significatifs.

Originalité de l’approche proposée. Pour évaluer les performances détoniques et propulsives de matériaux énergétiques, le laboratoire a développé une approche originale – plus fiable et moins empirique que les méthodes antérieures – appliquée par exemple avec succès au calcul des densités (Mathieu et al. 2006, Beaucamp et al. 2007) et enthalpies (Mathieu et al. 2002, Beaucamp et al. 2005) de cristaux moléculaires. L’objectif est d’appliquer une démarche analogue afin d’améliorer les critères d’évaluation du risque pyrotechnique, et accessoirement de progresser dans le développement de nouveaux outils de simulation (Mathieu 2007).

Programme. Dans un premier temps, il s’agit de remplacer les critères standard de dangerosité par des alternatives plus fiables, définies à partir de grandeurs thermodynamiques évaluées par les modèles du laboratoire. Des résultats préliminaires non publiés ont déjà permis de montrer que cette approche permet de déterminer sans ambiguïté, pour la plupart des cristaux moléculaires, s’ils sont susceptibles ou non de donner lieu à une explosion. Le doctorant complétera ces résultats et précisera les limites du modèle ainsi obtenu.

Une seconde étape consistera à introduire les aspects cinétiques, notamment en vue d’évaluer les températures de décomposition. En fonction des centres d’intérêt du doctorant et des priorités du moment, deux voies pourront être explorées. La première consiste à modéliser ces températures en combinant deux modèles prenant en compte respectivement les aspects thermodynamiques (Saraf et al. 2003) et cinétiques (Theerlynck et al. 2005). La seconde consiste à développer une approche plus générale, valable y compris dans les cas où l'étape déterminante de la décomposition n'est pas associée à la rupture de liaisons explosophores. Cette dernière implique de simuler numériquement les grandes étapes du processus de décomposition. Les algorithmes nécessaires sont disponibles au laboratoire, notamment une méthode de détermination des barrières d’activation des différentes transitions possibles pour le système à chaque instant. Le principal travail restant à effectuer concerne le développement d’un potentiel pour décrire efficacement les processus réactifs mis en jeu (Mathieu 2007).

Directeur de thèse Didier MATHIEU (CEA-DAM Le Ripault)

Contact CEA/DAM/Le Ripault Didier MATHIEU 02 47 34 40 00



Sujet Modélisation des mécanismes d’allumage des explosifs en mode localisé

Contexte Les explosifs solides sont connus pour s'initier par des mécanismes de points chauds lorsqu'ils sont soumis à des sollicitations mécaniques (impacts). Le point chaud représentant une compétition entre un processus de production locale de chaleur (dissipation) et le phénomène de conduction thermique à petite échelle, il dépend étroitement de la nature de la sollicitation, et notamment de sa durée. C'est ainsi que les mécanismes de points chauds diffèrent selon que la sollicitation implique un choc (transition choc-détonation) ou non (transition combustion-déflagration-détonation observée sous impact modéré). Ce dernier cas ne peut être traité par une approche hydrodynamique couplée à un modèle simple de point chaud. Il faut envisager une étude à deux échelles reliant le taux de production locale de chaleur à la sollicitation macroscopique. C'est ce qui a été entrepris pour une composition explosive à l'octogène dans le cadre de la thèse de Guillaume Vivier, réalisée en collaboration avec François Hild (DR CNRS), du Laboratoire de Mécanique et de Technologie de l'Ecole Normale Supérieure de Cachan. On sait cependant que deux modes d'allumage sont a priori possibles et observés. Le mode envisagé jusqu'à présent considère une population statistique de points chauds aléatoirement répartis dans le matériau : c'est l'allumage en mode diffus. Compte tenu des sollicitations possibles d'une part, de la nature adoucissante du matériau d'autre part, l'apparition d'instabilités comportementales est inévitable dès lors qu'aucun mécanisme stabilisant, tels que de hautes pressions ou une forte viscosité, n'intervient. C'est ainsi que l'on observe une localisation de la déformation, sous forme de macrofissures ou de bandes de cisaillement, et l'allumage en mode localisé. On propose ici l'étude et la modélisation de ce mode localisé. L'approche à deux échelles à fondements thermodynamiques considérée jusqu'ici sera reconduite et étendue à la prévision de la déformation et de la dissipation en mode localisé. Ce sujet fera intervenir conjointement François Hild, précédemment cité, et André Dragon (DR CNRS), du Laboratoire de Mécanique et de Physique des Matériaux de l'Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechnique de Poitiers, seul spécialiste en France doté des compétences adéquates en mécanique de l'endommagement, thermodynamique des milieux continus et modélisation de la localisation dynamique.

Objectif de la thèse On se propose de mettre au point un modèle d'allumage d'explosifs en mode localisé sous impact modéré. Les explosifs sont des matériaux endommageables par microfissuration. Cet endommagement provoque un adoucissement mécanique fortement sensible à la pression et à la vitesse de sollicitation. Cet adoucissement est susceptible de provoquer une localisation progressive de la déformation et de l'endommagement, pour former une ou plusieurs macrofissures, dans lesquelles la déformation se concentre. On observe alors un glissement relatif des lèvres de la macro-fissure. Si la pression est suffisante, ce glissement provoque un échauffement éventuellement très important, susceptible de provoquer l'allumage de l'explosif considéré. Il s'agit ici de construire une modélisation permettant de décrire ce phénomène, et de fournir des prédictions pouvant contribuer à la sécurité pyrotechnique des matériaux énergétiques.

Déroulement de la thèse La thèse comprendra quatre volets. Il s’agira en premier lieu de prendre en main le modèle de matériaux quasi-fragiles de Bargellini, et de l’identifier pour le ou les explosif(s) considéré(s). On construira ensuite un indicateur de localisation, par exemple basé sur une analyse linéaire de perturbation, ou sur la singularité du tenseur acoustique. Il s’agira ensuite de construire le modèle de super-dislocation associé. La dernière partie de la thèse consistera en une programmation du modèle résultant dans Abaqus Explicit. On portera une attention toute particulière à la problématique de la dépendance au maillage de ce modèle. Enfin, des simulations ayant pour but de déterminer l’intensité de la dissipation dans les zones localisées seront réalisées sur des assemblages déjà testés expérimentalement. Cette thèse serait effectuée en collaboration avec la Fédération PPRIME de Poitiers, et plus précisément avec le Laboratoire de Mécanique et de Physique des Matériaux (UMR CNRS 6617) de l’ENSMA, avec une collaborationdu Laboratoire de Mécanique et Technologie de l’Ecole Normale Supérieure de Cachan.

Directeur de thèse André DRAGON (LMPM Poitiers) et Hervé TRUMEL (CEA Le Ripault)

Contact CEA/DAM/Le Ripault – Hervé TRUMEL 02 47 34 40 00



Sujet Fissuration dynamique en mode II : simulation numérique par méthode X-Front

Contexte La simulation de la réponse d'un matériau explosif soumis à un impact à basse vitesse nécessite de simuler parfaitement le comportement mécanique de ce matériau soumis à des états de contrainte et déformation intenses. Or, à ce jour, la simulation de la propagation d'une fissure en mode compression-cisaillement dans un matériau ductile est toujours un sujet ouvert dans la littérature scientifique. Si pour bon nombre d'applications (telles que la perforation d'une dalle en béton par un missile) la technique d'érosion d'élément est couramment employée, elle n’est pas envisageable ici car les champs mécaniques sont alors supprimés, rendant impossible la prévision de l'allumage du matériau explosif.

Objectif de la thèse Dans ce travail, il s'agit d'étudier la faisabilité d'une méthode récemment proposée par le laboratoire GEM de l'Ecole Centrale de Nantes. Les méthodes actuelles échouent très probablement à cause du caractère volumique de la description de la dégradation. La technique proposée par le GEM s'appuie sur un modèle de front de dégradation régularisé s'appuyant sur la méthode des éléments finis étendus. Elle permet de simuler la propagation de fissures mais aussi leurs interactions. Pour cela, il faut lever un certains nombres de verrous comme, entre autres, le couplage de cette méthode de front avec un modèle en volume plus classique, l'appliquer aux cas de dynamique rapide avec solveur lagrangien explicite et l'étendre aux cas des grandes déformations. Les résultats obtenus par simulation pourront être comparés à ceux obtenus expérimentalement par une méthode de mesure de champs de déplacement.

Déroulement de la thèse La thèse démarrera par une étude bibliographique permettant de cerner les outils et méthodes numériques développées jusqu’ici par les différentes équipes internationales dans le domaine de la simulation de la formation et de la propagation d’une fissure en mode compression-cisaillement. On s’intéressera notamment à la recherche de solution analytique ou de données expérimentales qui seront précieuses pour juger de la qualité de l’algorithme. La nouvelle méthode proposée par l’équipe de Nicolas Moes sera ensuite implantée dans un code aux éléments finis. Une étude systématique sera menée pour enrichir cette technique et la porter dans le domaine des calculs lagrangiens, en grandes déformations et pour des matériaux élastoplastiques.

Directeur de thèse Nicolas MOES (Ecole Centrale Nantes)

Contact CEA/DAM/Le Ripault Didier PICART 02 47 34 40 00



Sujet Etude et validation d'un modèle aux moments, pour le transport de particules rapides dans des milieux fortement hétérogènes avec applications à la fusion inertielle et à la médecine.

Contexte Les travaux envisagés ici ont pour objectif le développement d'un outil numérique décrivant de façon efficace et précise le transport et le dépôt d'énergie de particules très énergétiques dans un milieu dense et fortement inhomogène. Les lasers sont une source efficace et compacte de particules chargées, électrons, protons ainsi que des ions plus lourds (carbone et oxygène entre autres). Ces particules trouvent diverses applications pour les diagnostics des plasmas de fusion, l'allumage des réactions nucléaires, pour les traitements des matériaux en en médecine pour la production des isotopes de courte durée et le traitement des cancers (radiothérapie, protonthérapie et hadronthérapie). 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 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 inhomogène. Elle est très prometteuse pour la description du transport de l'énergie dans les codes utilisés pour étudier la fusion par confinement inertiel ainsi que pour les calculs du dépôt de dose pour le traitement des patients dans les hôpitaux. 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.

Actuellement, ce modèle contient un modèle physique très limité. Il ne prend pas en compte plusieurs phénomènes importants pour les applications : le freinage des électrons par l'émission des photons (Bremsstrahlung), la création des paires électron-positron, le couplage avec les photons, la mobilité et la fragmentation des ions. La prise en compte de tous ces effets physiques dans le modèle et sa validation constituent un travail important mais indispensable car le nouveau code intégrant tous ces effets sera un outil extrêmement intéressant pour beaucoup d'utilisateurs.

Objectif de la thèse Notre objectif est donc de proposer et d'étendre le modèle M1 existant pour simuler le transport des électrons relativistes ayant des énergies de plusieurs centaines de MeV, ainsi que le transport des positrons, des photons, des protons et des ions carbone. En collaboration avec l'équipe de physiciens de l'Institut Bergonié le code sera adapté aux simulations numériques précises et rapides pour le transport des particules et pour le calcul du dépôt de dose en radiothérapie, protonthérapie et hadronthérapie dans les milieux modélisant le corps humain.

Déroulement de la thèse Les travaux de thèse se déclinent comme suit : Une première étape consiste à analyser et à modéliser finement les phénomènes physiques intervenant dans la propagation des particules: le Bremsstrahlung, la création des paires électron-positron, le couplage avec les photons, la mobilité et la fragmentation des ions.

Dans une deuxième étape il faudra introduire tous ces effets physiques dans le modèle aux moments M1. On prêtera une attention particulière à l'approximation numérique de ce modèle en utilisant les dernières techniques utilisées en mathématiques appliquées pour la simulation des systèmes de lois de conservation hyperboliques non linéaires.

Finalement, dans une dernière étape, l'approche sera validée par comparaison avec des résultats de calculs détaillés Monte-Carlo et des résultats expérimentaux obtenus sur des fantômes du corps humain.

Directeur de thèse Bruno DUBROCA (CELIA/Université de Bordeaux)

Contact CEA/CESTA 05 40 00 37 66



Sujet Simulation numérique d’un problème à trois phases

Contexte Durant la phase de rentrée atmosphérique d'un engin spatial, les contraintes aérothermiques sont telles qu'une élévation considérable de température a lieu aussi bien dans l'air autour du corps de rentrée que dans l'engin lui-même. De ce fait, la paroi du corps est le siège de phénomènes physico-chimiques complexes, globalement appelés ablation. Classiquement, ce phénomène est traité du point de vue de la modélisation et de la simulation numérique comme un échange de matière et d'énergie au travers de la paroi. Nous nous intéressons dans cette thèse au cas où le matériau solide comporte plusieurs constituants s'ablatant de façon différentielle, et en particulier pour l'un d'entre eux sous forme liquide. Nous sommes donc en présence de trois phases. L'objectif de cette thèse est donc de développer une méthode numérique permettant de simuler un tel écoulement qui comportera des interfaces entre gaz et liquide, gaz et solide et liquide et solide.

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 problèmes physiques à traiter. En outre, la topologie des interfaces entre chaque phase pouvant devenir complexe, ceci rend 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 systématiquement des grilles cartésiennes, les interfaces étant traitées soit par des techniques de pénalisation, ou par des techniques Level-Set.

Les travaux de thèse se déclinent comme suit. Une première étape consiste en la mise au point d’une méthode volumes finis permettant de traiter les écoulements diphasiques compressible-incompressible. L’interface sera suivie à l’aide d’une méthode de type Level-Set, et l’aspect diphasique sera traité par une méthode de type Ghost-Fluid. 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. Le passage en 2D sera réalisé par la suite. Une deuxième étape sera constituée par la résolution du couplage fluide-solide. Là aussi, on s’appuiera sur une méthode Level-Set pour suivre l’interface, et des méthodes de pénalisation devront être mises au point afin de traiter les conditions limites au travers des interfaces.

Une première phase d’étude en une dimension d’espace sera réalisée. Dans cette étape, on pourra étudier les changements de phase, notamment solide-liquide et solide-gaz. Dans le cas solide-gaz, une cinétique chimique sur l’interface pourra être envisagée. L’étude sera ensuite étendue en 2D. Dans ce cadre, le traitement du point de contact entre gaz, liquide et solide sera abordé. 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 phase de contact dynamique. Des aspects plus algorithmiques et informatiques constitueront la dernière étape. En effet, afin de simuler des configurations réalistes, la prise en compte par des grilles régulières de couches limites non nécessairement alignées avec le maillage conduira à utiliser un nombre conséquent de mailles, plusieurs dizaines de millions, voire au-delà. Le logiciel développé devra alors s’appuyer sur une parallélisation massive et la librairie Petsc sera utilisée.

Directeur de thèse Thierry COLIN (Université de Bordeaux IMB)

Contact CEA/DAM/CESTA – Gérard GALLICE – 05 57 04 40 00



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 deMHD. 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 collisionnel. 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 seont 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. 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 Pierre DEGOND (Université Paul Sabatier, Toulouse, MIP) Contact CEA/DAM/CESTA - Gérard GALLICE – 05 57 04 40 00


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Sujet Description hors équilibre thermodynamique local des plasmas d’ions multichargés Résumé L’hors équilibre thermodynamique local joue un rôle fondamental dans la description microscopique de plasmas rencontrés en astrophysique ou en laboratoire. Les méthodes utilisées en pratique pour décrire la structure électronique des ions multichargés se heurtent toutes au nombre considérable de configurations électroniques à prendre en compte ainsi qu’à la description des effets de l’environnement plasma sur la structure électronique de ces ions. Le sujet de cette thèse consiste à reprendre à la base l’ensemble du problème. Dans un premier temps, on s’attachera à comprendre la problématique ainsi qu’à se familiariser avec l’utilisation d’un code de structure électronique. Dans un second temps, on développera un code de calcul afin de décrire la physique atomique dans le cadre de la thermodynamique des processus irréversibles. Enfin, on confrontera les résultats du code de calcul obtenu à ceux d’autres approches théoriques ainsi qu’à des données expérimentales.

Descriptif Les plasmas d’ions multichargés rencontrés en astrophysique ou en laboratoire peuvent être dans un état thermodynamique où l’équilibre thermodynamique local (ETL) n’est pas assuré. On parle alors d’hors équilibre thermodynamique local (HETL). Pour décrire la structure électronique des ions d’un plasma HETL, on sélectionne a priori un jeu de configurations électroniques et on construit une matrice de taux tenant compte des processus microscopiques permettant d’effectuer une transition entre deux configurations. Les probabilités d’existence des configurations électroniques sont obtenues en résolvant un système d’équations linéaires déterminé par cette matrice de taux.

Le point clé concerne le grand nombre de configurations électroniques à prendre en compte pour décrire un tel milieu HETL. Plusieurs approches ont été développées pour surmonter cette difficulté. Une méthode très puissante consiste à regrouper un certain nombre de configurations électroniques en groupes appelés superconfigurations. La matrice des taux est récrite dans l’espace des superconfigurations où seuls sont considérés des taux effectifs entre superconfigurations. Des températures effectives sont introduites pour calculer ces taux effectifs entre superconfigurations. Une autre approche s’appuie sur un théorème stipulant que la résolution de la matrice des taux revient à minimiser le taux de production d’entropie du système atomique en contact avec des réservoirs représentés par le bain d’électrons libres à l’ETL ou le champ de rayonnement HETL. Ce théorème repose sur les principes premiers de la physique statistique et de la mécanique quantique. Il est valable lorsque l’état HETL stationnaire est proche de l’ETL. Des études numériques ont montré que l’on pouvait définir une notion de température effective HETL. En supposant que la probabilité d’une configuration électronique est donnée par une loi de Maxwell-Boltzmann associée à une température effective, on détermine cette dernière en minimisant le taux de production d’entropie du système considéré. Cette méthode variationnelle ne requiert aucune inversion de matrice. Ainsi, on peut envisager de traiter un jeu étendu de configurations, hors de portée des méthodes reposant sur la résolution de la matrice des taux, tout en soignant la description des taux de transition qui doivent être le plus précis possible.

Objectif de la thèse L’objet de cette thèse consiste à étudier en détail cette méthode variationnelle HETL. Dans un premier temps, on se familiarisera avec l’utilisation d’un code de structure électronique. Dans un second temps, on développera un code de calcul permettant de décrire la physique atomique HETL dans le cadre de cette méthode variationnelle. Enfin, on confrontera les résultats du code de calcul obtenu à ceux d’autres approches théoriques ainsi qu’à des données expérimentales. Une fois mené à bout, ce travail permettra de calculer des équilibres d’ionisation ainsi que des spectres d’absorption et d’émission de plasmas d’ions multichargés HETL.

Profil recherché : MASTER en Physique Théorique, Laser et Matière, Physique quantique, Sciences de la Fusion Directeur de thèse Frank ROSMEJ (Université Paris VI)

Contact Gérald FAUSSURIER - CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00

Lasers et plasmas


Sujet Interaction ondes-particules en régime non linéaire et dans un plasma magnétisé

Contexte Ce sujet de recherche s’inscrit dans le contexte général de la fusion contrôlée, et met plus particulièrement l’accent sur les synergies pouvant s’établir entre les études faites à la fois dans le cadre de la fusion par confinement inertiel et dans celui de la fusion par confinement magnétique, sur la problématique générale de l’interaction ondes-particules. Dans le cas du schéma par confinement inertiel, on obtient la fusion des noyaux Deuterium-Tritium (D-T) en faisant 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 l’instabilité Raman qui, de surcroît, génère une onde plasma électronique pouvant préchauffer les électrons du plasma, et ainsi la bille de D-T cryogénique, ce qui peut être pénalisant pour le processus de fusion. Par ailleurs, un champ magnétique intense est généré spontanément dans le plasma du Hohlraum, alors qu’il est généralement négligé dans l’étude théorique des instabilités paramétriques. De plus, à cause de la présence de ce champ magnétique, des ondes électrostatiques ou électromagnétiques peuvent croître de manière spontanée et chauffer les électrons, ou même les ions, ce qui n’a jamais été étudié en détail. Dans le cas du schéma par confinement magnétique, il est nécessaire d’éviter les disruptions pour que la fusion du D-T puisse se faire sur des temps longs. Dans ce but, on essaie de contrôler les instabilités magnétiques, qui peuvent être une source de disruption. Un moyen de limiter leur taux de croissance consiste à changer le profil de courant au centre du plasma en injectant depuis l’extérieur des ondes cyclotroniques électroniques, qui présentent l’avantage de se coupler facilement au plasma et de pouvoir être précisément dirigées à l’intérieur du plasma. On ignore, cependant, la façon dont la génération de courant, et en particulier le profil du courant généré, peut varier lorsque l’interaction ondes-particules entre dans un régime non linéaire. Il reste même à déterminer si, dans les expériences, la théorie linéaire généralement utilisée pour calculer les profils de courant est effectivement correcte. C’est donc dans ce double contexte d’interaction ondes-particules en régime non linéaire et dans un plasma magnétisé, dans le cadre des projets de fusion par confinements magnétique et inertiel, que le sujet de thèse s’inscrit. C’est un sujet théorique, et fondamental, qui permet d’acquérir une culture assez générale de la physique des plasmas, puisque l’interaction ondes-particules en présence d’un champ magnétique est une problématique que l’on rencontre partout en physique des plasmas, que ce soit en astrophysique, en physique des plasmas spatiaux ou de laboratoire ainsi, bien sûr, que dans les plasma de fusion.

Objectif de la thèse L’objectif de la thèse est de tirer parti du savoir développé à la fois au CEA et au MIT dans le domaine de l’interaction ondes-particules, de manière à généraliser des situations physiques plus complexes les résultats déjà obtenus. Au CEA, nous avons, depuis plusieurs années, développé un modèle cinétique non linéaire de la diffusion Raman stimulée. Ce modèle prend en compte la façon dont l’onde plasma électronique (ou onde de Langmuir) générée par Raman modifie de manière non linéaire la fonction de distribution électronique, et en quoi cela modifie la dynamique du Raman. Un des objectifs de la thèse consiste alors à généraliser nos études en prenant en compte le champ magnétique, et de comprendre comment ce dernier peut modifier les résultats que nous avons d’ores et déjà obtenus, en se limitant, dans un premier temps, aux processus électroniques. On s’appuiera, pour cela, sur la longue tradition développée au MIT sur les processus d’interaction ondes-particules en plasma magnétisé.

Déroulement de la thèse Le sujet de thèse proposé consiste, dans un premier temps, à formuler clairement la problématique de la diffusion Raman stimulée en présence d’un champ magnétique : quels sont les modes impliqués, comment se couplent-ils entre eux, comment les conditions de résonance pour l’onde de Langmuir sont-elles modifiées par le champ magnétique… Parallèlement à ce travail, on étudiera comment les effets cinétiques non linéaires sont modifiés par la présence d’un champ magnétique, et on essaiera de généraliser les résultats obtenus pour une onde de Langmuir, notamment en ce qui concerne le taux d’amortissement Landau non linéaire, aux modes magnétisés et, en particulier, aux ondes cyclotroniques électroniques.

On utilisera ces résultats, dans un deuxième temps, pour arriver à des formulations ou des estimations plus précises. Il s’agira, en particulier, de dériver un nouveau système d’équations modélisant la diffusion Raman stimulée dans un plasma magnétisé, et de tirer parti de notre nouvelle compréhension de l’interaction ondes-particules en régime non linéaire pour calculer de manière plus précise le profil de courant généré par les ondes cyclotroniques électroniques.

Enfin, on pourra comparer nos prédictions théoriques aux résultats expérimentaux existants, ou proposer des expériences validant les nouveaux phénomènes physiques que l’on aura mis en évidence.

Directeur de thèse : Abhay K. RAM, MIT, USA Contact D. BENISTI - CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00

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Sujet Effets collectifs et collisionnels dans le transport de courants intenses d’électrons produits par laser : application à l’allumage rapide d’une cible fusible

Contexte L’interaction d’une impulsion laser ultra-intense (d’éclairement ~1018-21Wcm-2) avec un plasma dense est à l’origine de nombreuses applications allant de la fusion par confinement inertiel à la mise au point de sources compactes et intenses de rayonnement. Toutes reposent sur la génération d’une population d’électrons relativistes à même de se propager sur de grandes distances au sein de la cible, et d’y déposer leur énergie. Leur transport (diffusion, collimation, ralentissement) est régi par divers mécanismes, collisionnels ou collectifs, dont l’importance relative dépend des caractéristiques du faisceau comme du milieu. Leur maîtrise conditionne donc le succès ou l’optimisation des applications considérées.

Objectif L’objet de cette thèse théorique est de caractériser, principalement à l’aide de simulations numériques de type particle-in-cell (PIC), ces processus dans une gamme de paramètres (profil de densité, éclairement laser, cibles structurées…) pertinente pour le schéma d’allumage rapide d’une cible fusible. Plusieurs études ont été publiées récemment dans ce cadre, mais restreintes à un choix limité de conditions initiales, et à une analyse souvent superficielle des phénomènes en jeu. Outre de quantifier la sensibilité du transport aux paramètres et à la dimensionnalité (de 1D à 3D) du problème et l’efficacité du couplage entre la source laser et la cible, il s’agira d’identifier clairement les processus dominants et, en particulier, de préciser l’influence des processus collectifs (relatifs ou non à des instabilités faisceau-plasma électrostatiques ou électromagnétiques), au voisinage de la zone de génération des électrons comme plus profondément dans la cible.

Directeur de thèse : G. BONNOT (CEA/INSTN)

Contact L. GREMILLET - CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00

Lasers et plasmas


Sujet Etude théorique et numérique de la dynamique des chocs d’accrétion dans les variables cataclysmiques magnétiques

Contexte Les variables cataclysmiques magnétiques (VCms) sont des systèmes binaires en interaction où l’objet accrétant est une naine blanche possédant un champ magnétique intense. La grande partie du rayonnement émis par ces objets provient d’une zone proche de la photosphère de la naine blanche, nommée colonne d’accrétion. Au fait que le rayonnement, la matière et le champ magnétique sont fortement couplés dans cette zone, s’ajoute la difficulté à l’observer directement, ce qui complique encore sa modélisation. De plus, de nombreux problèmes persistent dans la compréhension des observations des VCms, en particulier les phénomènes dynamiques dans la courbe de lumière. Dans le but de contraindre les modèles théoriques, nous avons mis en place un projet d’astrophysique de laboratoire, le projet POLAR, qui a pour but de reproduire à l’aide des lasers de puissance, à l’invariance d’échelle près, les conditions équivalentes rencontrées dans la colonne d’accrétion de ces objets astrophysiques. Les premières expériences relatives à ce projet ont été réalisées en juillet 2009 au LULI (Ecole Polytechnique).

Objectif de la thèse Au cours de cette thèse, le doctorant travaillera sur la mise en place de modèles analytiques et de simulations numériques multi-dimensionnelles à l’échelle astrophysique, dans le but d’étudier la dynamique et les propriétés radiatives de la colonne d’accrétion.

De plus, le doctorant sera directement impliqué dans le projet POLAR. Ainsi il contribuera au dimensionnement et aux interprétations des expériences qui seront réalisées en collaboration avec l’équipe PHYDEL du Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (LULI).

Déroulement de la thèse Le doctorant travaillera à la fois au CEA-DAM et au Laboratoire Univers et Théorie (LUTH). De plus, il accèdera aux moyens de calcul du CEA et aux codes astrophysiques développés au LUTH.

Directeur de thèse : Claire MICHAUT - Laboratoire Univers et Théorie (Observatoire de Paris-Meudon)

Contact Emeric FALIZE CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00

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Sujet Optique ultra-rapide et génération d'harmoniques Contexte Depuis dix ans, les progrès technologiques ont rendu possible la production d'impulsions laser ultra-courtes de forte puissance excédant le Terawatt (1012 W). Ces impulsions sont couramment employées dans les techniques de spectroscopie ultra-rapide, les installations Lidar, les nanotechnologies 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 créées dans le domaine XUV par l'ionisation d'un milieu transparent (gaz noble, verres de silice). L'impulsion associée à ces harmoniques présente une durée de vie couvrant une fraction de la période laser, c'est-à-dire quelques centaines d'attosecondes (1 as = 10-18 s). L'identification et le contrôle des impulsions attosecondes constituent un passage obligé pour mettre au point dans le futur des faisceaux sondes ultra-rapides, capables de résoudre temporellement des processus électroniques très brefs.

Objectif de la thèse L'objet de cette thèse consistera à identifier théoriquement et numériquement les paramètres caractérisant la propagation non-linéaire d'un faisceau laser femtoseconde, qui sont susceptibles d'optimiser la génération d'harmoniques élevées. Pour mener à bien cette étude, le candidat utilisera des codes numériques de propagation, qui décrivent l'évolution d'un champ laser haute-fréquence de forte puissance ionisant un milieu transparent. Il bénéficiera d'un environnement privilégié en exploitant les machines massivement parallèles hautement performantes du CEA-DAM (TERA & CCRT). Afin de valider les modèles numériques, des collaborations avec des équipes expérimentales seront développées, à l'intérieur desquelles l'étudiant doctorant pourra jouer un rôle majeur. Déroulement de la thèse Le candidat débutera son travail de thèse par une dérivation systématique des équations aux dérivées partielles non-linéaires gouvernant l'évolution du champ électrique laser couplé au plasma d'électrons produit par photo-ionisation des atomes du milieu. Au cours de sa première année de thèse, il se familiarisera avec les codes numériques de propagation disponibles au CEA/DAM - Ile de France, qui décrivent l'évolution d'un champ laser haute-fréquence de forte puissance ionisant un milieu transparent. Il pourra ainsi vérifier l'existence des phénomènes physiques majeurs qui seront rencontrés tout au long de son travail, comme l'auto-guidage et la filamentation optiques résultant d'un équilibre dynamique entre auto-focalisation Kerr et génération de plasma. Une attention particulière sera portée sur le raccourcissement d'impulsions en régime de filamentation et sur l'optimisation des élargissements spectraux. Cette étude devrait conduire l'étudiant à soumettre pour publication un premier article scientifique dès sa première année de thèse.

Durant la deuxième année de son travail, le candidat sera amené à améliorer, théoriquement et numériquement, les modèles standards de propagation, de façon à pouvoir décrire le raccourcissement d'impulsions laser par filamentation sur un seul cycle optique, à des longueurs d'onde laser variées.

La troisième et dernière année de thèse sera consacrée à l'achèvement d'écriture d'articles scientifiques et à la rédaction du mémoire de thèse.

Le doctorant bénéficiera d'un environnement privilégié en exploitant les machines massivement parallèles hautement performantes du CEA-DAM (TERA & CCRT). Afin de valider les modèles numériques, des collaborations avec des équipes expérimentales extérieures (Instituts Max Born à Berlin et Max Planck à Dresde) seront développées, à l'intérieur desquelles le doctorant pourra jouer un rôle majeur.

Directeur de thèse L. BERGE (CEA/DAM/Ile de France)

Contact L. BERGE CEA/DAM/Ile de France 01 69 26 40 00

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Sujet Modélisation de l'endommagement par laser des cristaux de silice et de KdP

Contexte L'endommagement des optiques résulte de l'ionisation du cristal sous l'effet d'un champ électromagnétique intense. L'ionisation peut prendre place sur des sites spécifiques tels que des défauts intrinsèques, des vides, des fractures, ou bien être distribuée de façon aléatoire lorsque la fluence laser est supérieure à la fluence de claquage diélectrique du matériau irradié. Au delà de cette fluence de claquage, lorsque l'énergie absorbée est supérieure à l'énergie de cohésion du matériau, des dommages irréversibles sont produits au sein même du matériau, ce qui peut modifier sensiblement ses propriétés optiques et, finalement, conduire à sa destruction après quelques séries de tirs laser. Il convient donc de bien connaître les mécanismes d'interaction laser-matériau optique, puis d'étudier les conséquences du chauffage résultant de l'interaction onde électromagnétique-cristal.

Objectif de la thèse Dans le cadre de cette thèse, nous nous proposons de modéliser le comportement de cristaux anisotropes (KDP par exemple) dans le cas fortement non linéaire : possibilité de prendre en compte le mélange de longueurs d'onde, modification locale au voisinage des défauts de l'onde électromagnétique. Des modèles macroscopiques, destinés à être inclus dans un code de propagation-absorption, seront développés comme résultat de cette étude. Nous étudierons également la transition entre l'ionisation en régime femtoseconde et nanoseconde. Enfin nous mettrons en place une modélisation adaptée pour prendre en compte le couplage entre dépôt d'énergie et hydrodynamique. Certains des modèles obtenus seront confrontés à des expériences laser. Il s'agit essentiellement d'une thèse “modélisation”, mais l'étudiant pourra s'impliquer dans la démarche expérimentale.

Déroulement de la thèse Le CELIA et le CEA développent des outils d'étude de la propagation et de l'absorption d'une onde électromagnétique intense dans les solides, en régime femtoseconde. Dans un premier temps, nous étudierons les processus d'ionisation multiphotoniques comme la principale source de chauffage, en prenant en compte le mélange de longueurs d'onde, la modification locale au voisinage des défauts de l'onde électromagnétique. Des modèles macroscopiques, destinés à être inclus dans un code de propagation-absorption, seront développés comme résultat de cette étude. Dans un deuxième temps, nous étudierons la transition entre l'ionisation en régime femtoseconde et nanoseconde. Enfin nous mettrons en place une modélisation adaptée pour prendre en compte le couplage entre dépôt d'énergie et hydrodynamique. Cette modélisation sera introduite dans un code d'hydrodynamique de façon à permettre également les études d'endommagement des optiques en régime nanoseconde. La dernière étape consistera à valider la modélisation sur des expériences laser.

Directeurs de thèse Antoine BOURGEADE, Guillaume DUCHATEAU, Ludovic HALLO

Contacts

CEA [email protected], [email protected],

CELIA [email protected]

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Sujet Etude du chauffage de la matière par faisceaux d’électrons ou d’ions énergétiques : modélisation et applications.

Contexte Notre laboratoire étudie l’accélération d’électrons et d’ions à de très hautes énergies, au moyen de lasers de forte intensité. Ces particules ouvrent de nouvelles perspectives dans les domaines notamment de la physique des plasmas et de la médecine. Concernant la physique des plasmas, la production et le transport de courants d’électrons ou d’ions ainsi que leurs dépôts d’énergie dans la matière font l’objet de recherches très importantes. Ces dernières sont liées au développement de par le monde et plus particulièrement en région Aquitaine, de lasers de fortes puissances et de grandes énergies. La compréhension des faisceaux de particules est une étape clef dans le cadre de la Fusion par Confinement Inertiel pour la production d’énergie. Ils pourraient permettre de réduire considérablement l’énergie à invertir et, par la même, de diminuer de façon importante le coût des futurs grands projets nationaux ou européens. D’autre part, et toujours dans la même thématique, ces particules énergétiques peuvent être utilisées pour sonder le plasma pendant des temps très courts et permettent ainsi de remonter à la densité de matière traversée et aux champs électromagnétiques rencontrés. Ils offrent donc un double intérêt pour la physique des plasmas. Dans le cadre médical, ces faisceaux de particules, électrons ou ions, créés par laser, pourraient être utilisés en oncologie pour détruire certaines tumeurs. Dans la perspective conjointe des développements lasers, cette production d’électrons et d’ions au moyen de lasers pourrait être une alternative aux accélérateurs de particules classiques. Cependant, les processus physiques liés à la création ou au transport de ces particules énergétiques ne sont pas, à ce jour, parfaitement maîtrisés. Quel que soit le domaine abordé, de meilleures descriptions théorique et numérique sont nécessaires pour le développement et l’utilisation future de ces faisceaux.

Objectif de la thèse L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre les processus physiques mis en jeu, d’améliorer leurs modélisations et de tester leurs effets à travers des expériences dédiées.

Déroulement de la thèse Une nouvelle méthode de calcul, récemment développée au CELIA, allie une précision proche d’un calcul Monte-Carlo au coût informatique de calculs simplifiés. Cependant, jusqu’à présent, cette méthode, comme d’ailleurs les calculs Monte-Carlo, néglige l’effet des champs électromagnétiques, qu’ils soient générés par le faisceau de particules lui-même ou bien présents dans le plasma traversé. Or, ces derniers peuvent fortement modifier le trajet des ions ou des électrons ainsi que leurs dépôts d’énergie.

Le travail consistera à appréhender la physique de la production et du transport de particules énergétiques créées au moyen de lasers de forte puissance. Il s’agira, par la suite, d’enrichir les modèles de transport existants par la prise en compte des champs électromagnétiques qu’ils soient auto-générés ou extérieurs. Ces derniers, responsables de la focalisation du faisceau ou au contraire de son éclatement, devront être décrits avec précision en vue d’être correctement intégrés aux modèles. La validation devra se faire au travers de comparaisons avec des codes dédiés mais surtout par des confrontations directes aux résultats d’expériences laser. Les applications prévisibles iront donc de l’interprétation d’expériences actuelles de production et de transport de particules, que ce soit sur des installations nationales ou internationales, aux designs de cibles correspondants à de futures installations laser de plusieurs centaines de kJ.

Directeur de thèse V. TIKHONCHUK (Université Bordeaux),

Responsables CEA Ph. NICOLAÏ et J-L. FEUGEAS

Contact 05 40 00 37 72

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Sujet Etude expérimentale du développement et de la saturation des instabilités paramétriques dans un plasma confiné de fusion thermonucléaire par laser

Contexte Le sujet de thèse proposé s’inscrit dans le cadre des études préparatoires à l’atteinte de l’ignition sur le laser Mégajoule actuellement en construction en Aquitaine. La thèse portera plus particulièrement sur la thématique de l’interaction laser-plasma. Celle-ci est l’une des premières à maîtriser en vue de réaliser la fusion thermonucléaire inertielle par laser en laboratoire puisqu’elle vise à optimiser l’efficacité et la qualité du dépôt de l’énergie laser. Deux géométries d’irradiation des cibles par les faisceaux laser ont été proposées pour comprimer la matière en vue de réaliser la fusion thermonucléaire inertielle en laboratoire. La plus simple dite configuration d’attaque directe consiste à irradier directement la capsule de combustible par un grand nombre de faisceaux laser répartis le plus uniformément possible sur la surface de la cible. En raison des difficultés à obtenir un éclairement homogène sur la capsule, une deuxième configuration dite d’attaque indirecte a été proposée. Dans cette configuration, la capsule de combustible est placée au centre d’une cavité en or. L’énergie laser est d’abord convertie en rayonnement X sur les parois internes de la cavité avant d’irradier la capsule. L’étude proposée dans cette thèse intéressera les deux approches.

L’interaction laser-plasma a fait l’objet de plusieurs expériences réalisées ces dernières années sur la LIL (installation laser prototype du LMJ, 1 quadruplet délivrant 10 kJ à 351 nm en 3 ns) et sur les installations laser du LULI à l’Ecole Polytechnique. Les expériences réalisées au LULI ont mis en œuvre des cibles en géométrie simple (cible solide produisant un profil de densité exponentiel et jet de gaz produisant un profil de densité relativement homogène). La croissance et la saturation des instabilités de rétrodiffusion Brillouin et Raman ont été étudiées expérimentalement. Les résultats correspondant ont été interprétés à l’aide de simulations numériques. Chacune de ces cibles (cible solide et jet de gaz) a été choisie car elle permet de simuler l’une des parties des cibles proposées pour la fusion : (i) dans le cas de l’attaque indirecte, paroi et gaz remplissant la cavité, (ii) dans le cas de l’attaque directe, ablateur et mousse permettant d’améliorer l’absorption et de réduire le développement des instabilités hydrodynamiques.

Objectif de la thèse Le travail de thèse proposé consistera à étudier les mécanismes d’interaction Raman, Brillouin et propagation dans des plasmas composés d’une succession des deux plasmas simples précédents en vue de comprendre l’interaction dans la paroi confinée par le gaz dans une cible d’attaque indirecte ainsi que dans l’ablateur confiné par la mousse dans une cible d’attaque directe. Le couplage des deux plasmas peut passer soit par les ondes électromagnétiques stimulées dans l’une ou l’autre des parties de la cible ainsi que par une hydrodynamique modifiée lorsque les deux cibles sont accolées.

Les expériences réalisées sur la LIL ont mis en œuvre ce type de cibles composées. Elles ont mis en évidence l’importance des deux couplages (hydrodynamique et via les ondes électromagnétiques). De nouvelles expériences sur cette thématique sont prévues en 2011 sur les installations du LULI.

Déroulement de la thèse Au cours des 3 années de thèse, l’étudiant alternera des périodes d’expérimentation et des périodes d’analyse des résultats et de simulations numériques réalisées avec les codes en cours de développement. Les expériences réalisées seront de complexité croissante avec la mise en œuvre de diagnostics de plus en plus précis. Elles s’appuieront essentiellement sur la plate-forme interaction ns développée ces dernières années au LULI et exploiteront les évolutions prévues sur cette installation. En particulier, dès qu’un faisceau sonde sera disponible, il sera utilisé en tant que sonde Thomson pour la caractérisation du plasma et l’observation des ondes longitudinales stimulées. En fonction des attributions de temps laser sur les installations pertinentes, l’étudiant pourra se voir confier partiellement ou en totalité la définition d’une expérience pendant sa deuxième année de thèse.

A l’issue de la thèse, l’étudiant devrait être formé à la conception d’une expérience sur une installation laser de puissance et plus généralement à la conduite d’un projet scientifique. Sur le plan de la physique, il devrait avoir acquis une formation solide sur la thématique de l’interaction laser-plasma ainsi qu’une vision d’ensemble sur toutes les problématiques liées à l’atteinte de l’ignition par laser.

Directeur de thèse Ch. LABAUNE - Laboratoire LULI, Ecole Polytechnique

Contact Sylvie DEPIERREUX, CEA/DIF, 01 69 26 40 00


Sujet : Caractérisation en laboratoire des mécanismes de génération et de propagation de jets de plasmas émis par des étoiles jeunes en formation : étude expérimentale sur moyen de hautes puissances pulsées

Contexte : L’émergence récente de moyens expérimentaux, tels que les lasers haute énergie (LMJ, LIL, NIF) ou les dispositifs de hautes puissances pulsées ( Z-pinchs), destinés à l’étude de systèmes à haute densité d’énergie, offre la possibilité nouvelle de placer des quantités millimétriques voire centimétrique de matière dans des conditions extrêmes de densité, température et vitesse. Cette possibilité nouvelle a naturellement suscité auprès de la communauté scientifique mondiale l’intérêt que présente l’accès à de nouveaux domaines auparavant inatteignables. Dans cette catégorie, les expériences d’astrophysiques de laboratoire à haute densité d’énergie se sont particulièrement développées depuis le début des années 2000. Les jets de plasma supersoniques fortement collimatés sont fréquemment observés dans le milieu interstellaire à proximité d’étoiles jeunes en formation (également dénommées proto-étoiles ou YSO- Young Stellar Object). Ces jets sont une signature de l’histoire de la formation d’une jeune étoile et les questions de leur dynamique de propagation notamment sont une source d’information riche sur le milieu interstellaire environnant. Ces jets sont également dénommés jets de Herbig-Haro (HH) du nom de leurs premiers observateurs. Les machines de hautes puissances pulsées (HPP) ont récemment montré leur capacité à réaliser en laboratoire un nombre important d’expérimentations représentatives de ces phénomènes : l’intérêt de ces installations est d’une part qu’elles permettent en général de créer des objets de plus grande dimension que tout autre moyen – ce qui améliore les qualités de résolution et d’observation - et que d’autre part, la présence du champ magnétique comme source motrice dans ces expériences permet d’en améliorer la représentativité des phénomènes réels. Il est ainsi généralement admis que la propagation d’un jet de proto-étoile est purement un phénomène hydro-radiatif mais seules les installations de hautes puissances pulsées permettent d’étudier simplement l’impact du champ magnétique convecté sur la dynamique. Ces installations HPP permettent, par l’utilisation de charges à réseau de fils ou à feuille (configurations radiale ou conique) de simuler et d’étudier des modèles de naissance de ces jets tels que les « magnetic tower jets » ou les phénomènes de création par jets épisodiques. L’interaction de tels jets avec un milieu défini ou le champ magnétique, la génération de chocs lors de leur propagation, le développement des instabilités de Kelvin-Helmholtz et de Rayleigh-Taylor peuvent également être étudiées avec des configurations expérimentales pertinentes et des objets générés représentatifs pour l’astrophysique.

Objectif de la thèse : Cette thèse a pour objectif de développer en laboratoire la capacité à générer des jets de plasma représentatifs des jets issus d’étoiles jeunes en formation. Il s’agira d’améliorer les charges à fils permettant la génération de tels jets, de faire évoluer le panel de diagnostic permettant leur étude et notamment les méthodes de déconvolution utilisées, et d’analyser par simulation numérique les résultats et leur représentativité des phénomènes réels.

Déroulement de la thèse : Les travaux de thèse se déclinent comme suit : Une première étape consiste à dimensionner une charge conique à réseaux de fils adaptée aux paramètres du moyen SPHINX (moyen HPP de la classe 6MA-1µs) du Centre d’Etudes de Gramat et à la caractériser expérimentalement. Le jet créé par une telle charge devra présenter des caractéristiques ( vitesse, nombre de Mach, de Reynolds, de Peclet, contraste de densité avec le milieu environnant) le rendant représentatif au travers de lois de similitudes de phénomènes réels observés dans le milieu interstellaire. La démarche reposera notamment sur la création de diagnostics numériques (interférogramme numérique, imagerie XUV, mesure de rayonnement) de simulation de magnéto-hydrodynamique 3D permettant le paramétrage et la définition des évolutions nécessaires des diagnostics expérimentaux. Sur ce dernier point, le travail portera particulièrement sur l’évolution des diagnostics d’interférométrie laser avec l’objectif d’obtenir la capacité de réaliser une mesure de densité résolue en temps du jet généré : il faudra notamment s’attacher à conserver un niveau de résolution acceptable malgré la taille des objets créés (jet de 5 à 10 cm). La radiographie X sera également utilisée (X-pinch ou laser impulsionnel). Une deuxième étape consistera à faire varier les paramètres initiaux de l’objet créé afin d’étudier sa stabilité notamment la qualité de collimation, la transition vers la turbulence et son développement, l’impact du champ magnétique, le rôle d’une rotation du jet créé sur lui-même. Il s’agira par la suite de développer les outils expérimentaux permettant la conduite d’expérimentation d’interaction du jet (ablation radiative de feuilles, jets ou ballons de gaz) et de caractériser le développement des instabilités lors de la propagation du jet.

Directeur de thèse : Chantal STEHLE (Observatoire Paris/LERMA)

Contact : CEA/DAM/DS Thierry MASSARD 01 69 26 40 00– Observatoire Paris/LERMA A.CIARDI 01 47 07 75 34

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Endommagement Laser

Sujet Etude expérimentale et théorique de l’initiation et de la croissance de l’endommagement laser à la surface de composants en silice par plusieurs longueurs d’onde simultanément

Contexte Dans le cadre du projet Laser Mégajoule (LMJ), le CEA a en charge l’étude de l’endommagement laser des composants optiques. Il a développé plusieurs bancs de mesure pour l’analyse expérimentale de la tenue au flux laser des différents composants de la chaîne LMJ. Plus particulièrement, un banc permet d’illuminer les optiques avec simultanément la longueur d’onde fondamentale et les deux harmoniques d’un laser YAG impulsionnel.

Les tests ont été réalisés jusqu’à ce jour en irradiant les composants optiques avec une seule des trois longueurs d’onde du laser, soit à 1064 nm, soit à 532 nm, soit à 355 nm. Toutefois, certains composants de la chaîne sont illuminés simultanément par plusieurs faisceaux lasers de différentes longueurs d’onde. Les prochaines expériences seront réalisées par addition des longueurs d’onde sur les échantillons afin de mettre en évidence des différences de comportement d’une part lors de la phase d’initiation du dommage puis lors de la phase de croissance.

Objectif de la thèse Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre les mécanismes d’endommagement laser des lames de silice illuminées simultanément par plusieurs longueurs d’onde, pour les phases d’initiation et de croissance des dommages. Cette connaissance sera bénéfique pour améliorer la durée de vie de ces composants.

Déroulement de la thèse En collaboration avec une équipe d’ingénieurs et techniciens, le doctorant réalisera les différents tests et plus précisément :

- la calibration des diagnostics permettant de qualifier les faisceaux lasers (détecteurs pyroélectriques, cellules rapides et oscilloscopes, caméra CCD et analyseur de faisceau). Une grande attention est portée à la métrologie des faisceaux afin de connaître précisément les paramètres des faisceaux.

- les différentes séquences de test seront confrontées, et l’effet des irradiations multilongueurs d’onde seront comparées avec les résultats obtenus avec une seule longueur d’onde. Les tests seront principalement réalisés sur des substrats de silice polie. Les deux phases gouvernant la durée de vie des optiques seront étudiées : l’initiation et la croissance des dommages.

Le travail portera principalement sur l’endommagement laser des optiques, qui met en jeu des mécanismes d’interaction laser-matière, mais également les lasers et l’optique. Les tests s’inscrivent à la fois dans la compréhension des mécanismes d’endommagement laser (liés aux défauts des matériaux et leurs dépendances avec les différentes fréquences lasers) mais aussi sur la prédiction de la durée de vie de ces composants.

Un des buts de la thèse est d’obtenir une connaissance expérimentale du sujet. Un second objectif est de travailler de concert avec les équipes de théoriciens et de numériciens pour tenter de modéliser les phénomènes physiques mis en jeu.

Directeur de thèse Laurent LAMAIGNERE (CEA/CESTA/DLP/SMET/LMO)

Contact CEA/CESTA 05 57 04 40 00


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Sujet Étude ab initio de transitions de phases dans des systèmes fortement corrélés

Contexte La structure électronique des solides par des calculs ab-initio a connu une importante avancée avec la méthode de la fonctionnelle de la densité (DFT) établie dans les années 60 par Hohenberg et Kohn. Cette méthode, dans les approximations de la densité locale (LDA) et du gradient généralisé (GGA), a montré son efficacité pour décrire de nombreux semiconducteurs, métaux légers et isolants à transfert de charge. Néanmoins, cette méthode échoue à décrire des systèmes dans lesquels les couches 3d, 4f ou 5f sont partiellement remplies. Certains systèmes isolants sont décrits comme des métaux, et le volume de certains systèmes (ex: NiO, Ce) sont sous-estimés (jusqu'à 20%), pour ne citer que deux exemples. Ces erreurs proviennent du fait que les approximations LDA et GGA sont basées sur le gaz d'électron homogène. Or les orbitales 3d, 4f ou 5f sont particulièrement localisées: les électrons qui s'y trouvent sont donc aussi particulièrement proches les uns des autres et donc interagissent fortement. Ces interactions locales ne sont donc pas prises en compte explicitement par les approximations LDA et GGA. Un moyen de corriger cela est de prendre en compte dans l'hamiltonien un terme dit de Hubbard. La résolution de ce terme par la méthode de champ moyen statique donne la méthode LDA+U. Cette méthode permet une description correcte des isolants dont le caractère isolant est du aux corrélations (que ce soit des isolants de Mott ou à transfert de charge). Néanmoins les métaux corrélés, ainsi que les isolants paramagnétiques, ne peuvent être décrits par cette méthode.

De plus, un certain nombre de systèmes présentent une transition entre une phase où les électrons sont localisés et une autre phase où les électrons sont délocalisés (ex: le cérium ou l'oxyde de manganèse). Dans ce cas, la méthode LDA permet de décrire une phase, et la méthode LDA+U l'autre, mais la transition ne peut être décrite par aucune des deux méthodes. Pour corriger les déficiences théoriques (champ moyen statique) et pratiques (transition non décrite) de la méthode LDA+U, la méthode LDA+DMFT est utilisée depuis une dizaine d'années. Elle est basée sur la combinaison entre la DFT-LDA et la méthode de champ moyen dynamique (DMFT). Elle permet de résoudre exactement les corrélations locales (sur un atome) au prix de la résolution d'un problème à N corps. De nombreuses applications récentes ont montré que la méthode permet de décrire au moins qualitativement des transitions de phases dues à la corrélation dans des solides. Néanmoins des progrès restent à accomplir pour améliorer l'aspect quantitatif de la méthode et pour l'étendre à des systèmes plus complexes. Nous avons entrepris plusieurs mises en oeuvre de la méthode afin de la tester, de la rendre plus précise et d'élargir son champ d'application. Ces améliorations rendent possible des études plus systématiques et précises des transitions de phases. De nombreuses voies sont néanmoins ouvertes pour étendre la méthode à des systèmes plus complexes: accès à de nouvelles quantités physiques (spectroscopiques, thermodynamiques), description du magnétisme, amélioration de la résolution du problème à N corps (Monte Carlo Quantique).

Objectif de la thèse L'objet du travail sera de décrire des transitions de phases dans des oxydes de métaux de transitions ou des métaux corrélés. Dans ces composés, la transition s'accompagne d'un brusque changement de volume. Elle est due aux fortes interactions entre électrons. Celles ci induisent un changement de leur localisation . Il a été montré que la méthode ab-initio "LDA+DMFT" permet de prendre en compte les effets dynamiques des interactions fortes entre électrons et donc de savoir si les électrons passent facilement d'un atome à l'autre, autrement dit de quantifier leur degré de localisation. Cette méthode est donc capable de décrire ces phénomènes.

Le doctorant devra être motivé par le développement et la mise au point de méthodes (programmation informatique) et par la problématique physique de l'effet des fortes interactions entre électrons sur les propriétés physiques de la matière condensée (magnétisme, spectroscopie, thermodynamique).

Collaborations Ces travaux qui constituent un véritable challenge, seront effectués avec le code de calcul ABINIT (www.abinit.org), développé en collaboration internationale. Les calculs feront appel aux centres de calcul du CEA (CCRT, TERA). Ils donneront lieu à des collaborations (en particulier avec l’école polytechnique) et conduiront à des publications en cas de succès.

* LDA : Local density Approximation ; DMFT : Dynamic Mean Field Theory

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

Contact B. AMADON CEA/DAM/Ile de France 01 69 26 40 00

Physique de la matière condensée Physique de la matière condensée


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

Contexte & objectif La série des actinides montre une grande richesse de comportements électroniques et structuraux. Cette série peut être schématiquement coupées 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 localisé 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 oeuvre dans le cadre de ce code permettant de profiter efficacement des capacités de 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 de la thèse 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 nucléaire civil et donnera lieu à des collaborations.

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

Contact G. JOMARD CEA/DAM/Ile de France 01 69 26 40 00

Physique de la matière condensée


Sujet Evaluation du point critique de l'aluminium par les méthodes ab initio.

Contexte Le point critique des métaux, et en particulier de l'aluminium, est une grandeur physique très mal connue. Pour l'aluminium, par exemple, les évaluations de la température critique vont de 7000K à 11000K, pour une densité de l'ordre de 0.6 g/cc, c'est à dire dans un régime très détendu. Ces températures élevées rendent les expériences difficiles. La situation est compliquée dans les métaux, car du fait de la détente, la transition métal-isolant se superpose à celle liquide-gaz. Ce point est bien connu et a déjà été discuté par Zeldovitch et Landau en 1944.

Détail du sujet Aujourd'hui les méthodes ab initio à température finie, appelées aussi dynamique moléculaire quantique (DMQ), permettent de produire des simulations réalistes dans un vaste domaine thermodynamique, et ceci sans introduction de paramètres ajustables. En particulier, le régime chaud et détendu, que l'on qualifie aussi de matière dense et chaude a fait l'objet d'investigations par la DMQ. Des travaux précédents montrent que c'est tout particulièrement dans ce régime que l'apport de la DMQ est décisif. En effet, il n'est pas possible d'utiliser des méthodes basées sur des potentiels effectifs donnés a priori, car le potentiel d'interaction entre particules dépend fortement des conditions thermodynamiques ; ceci fait que bon nombre d'équations d'état sont fausses dans ce régime et sont incapables de restituer un point critique.

Une première partie du travail consiste à explorer par la DMQ les différents régimes et à calculer des isothermes dans la région d'intérêt. Au-dessous du point critique, on sait que la DMQ est capable de restituer qualitativement un système diphasique, comme cela a été observe sur du sodium. En revanche, du fait de la faible statistique des systèmes simulés, il n'est pas possible d'aboutir à une estimation précise du point critique, seulement à un encadrement. Dans un deuxième temps nous proposons donc de calculer par les méthodes ab initio des dimères, trimères jusqu'à de petits agrégats pour en déduire un potentiel effectif entre atomes. On calculera ce potentiel soit directement pour un dimère soit par une méthode du type hyper-netted chain (HNC) à partir de la fonction de corrélation de paire d'un agrégat. Ce potentiel "ab initio" permettra ensuite par une théorie variationnelle de construire une équation d'état, qui sera confrontée aux simulations et qui permettra de déduire les paramètres critiques. Les calculs de conductivité électrique permettront aussi de localiser la transition métal-isolant. Les spectres optiques ainsi obtenus pourront être confrontés à un modèle d'atome moyen.

Des expériences seront menées conjointement sur l'installation EPI (enceinte plasma isochore), qui permettront de tester simultanément l'équation d'état et la conductivité électrique.

Objectif de la thèse Le sujet de la thèse est d'estimer le plus précisément possible le point critique de l'aluminium en combinant plusieurs approches. A partir de calculs d'isothermes, de dimères d'aluminium et d'agrégats, nous proposons de construire, par une méthode variationnelle, une équation d'état restituant les paramètres critiques. Le calcul de la conductivité électrique permettra de faire le lien avec la transition métal-isolant en connexion avec les expériences réalisées sur l'enceinte à plasma isochore.

Déroulement de la thèse

Dans un premier temps, il faudra interpréter les résultats expérimentaux obtenus en mettant au point une méthode d’analyse, en rapport avec les différents modèles disponibles, qui permette d’obtenir des données quantitatives. Près du point critique, la densité du liquide diminue et celle de la vapeur augmente. Le but de ce travail est donc de déterminer expérimentalement, si elle existe, la densité à laquelle la vapeur devient métallique et le liquide non métallique. Une collaboration avec des chercheurs russes de l’Institut des Hautes Densités d’Energie de Moscou est envisagée sur ce sujet.

Dans un deuxième temps, une analyse théorique des données expérimentales obtenues pourrait permettre de déterminer la nature de l’interaction interparticulaire au voisinage de la transition métal-non métal et estimer son influence sur la transition de phase liquide-vapeur près du point critique. Une collaboration concernant le test des codes de dynamique moléculaire quantique est en cours avec des chercheurs américains du Sandia National Laboratory à Albuquerque.

Directeur de thèse : J. CLEROUIN (CEA/DAM/Ile de France)

Contact J. CLEROUIN CEA/DAM/Ile de France 01 69 26 40 00



Sujet Etude sous pression de systèmes très riches en hydrogène. Synthèse de nouveaux hydrures et analogues de l’hydrogène métallique.

Contexte Il existe une vaste littérature sur le changement des propriétés des matériaux en fonction de la concentration d’hydrogène qu’ils peuvent adsorber. En effet, la présence d’hydrogène dans un matériau peut changer radicalement ses propriétés. Un cas d’école est le palladium qui devient supraconducteur en adsorbant de l’hydrogène. Actuellement, la forte activité de recherche sur les hydrures est aussi poussée par l’optimisation de ces matériaux pour le stockage de l’hydrogène ou la propulsion spatiale.

Depuis toujours, le paramètre pression a joué un rôle important dans l’étude des hydrures. Tout d’abord en permettant d’augmenter la concentration d’hydrogène adsorbée dans un matériau. De plus, la compressibilité de l’hydrure ou l’évolution en pression des modes de cage de l’hydrogène permet de remonter à la nature des liaisons hydrogène-matériau et à la position des atomes d’hydrogène dans le réseau cristallin. Or, il a été récemment proposé que des systèmes riches en hydrogène, comme SiH4 ou AlH3, puissent aussi présenter une physique analogue à celle de l’hydrogène métallique. La recherche de l’hydrogène métallique est un problème phare de la physique des hautes pressions. Ce solide devrait présenter des propriétés quantiques "many-body" uniques, comme un état superfluide-supraconducteur. La recherche de l’observation de l’hydrogène métallique a motivé de gros efforts expérimentaux depuis une cinquantaine d’années. La fermeture du gap électronique de l’hydrogène en dessous de 1,5 eV a été observée dans une étude jusqu’à 320 GPa. L’obtention de l’hydrogène métallique devrait être obtenue au-dessus de 450 GPa, une pression encore à la limite des possibilités expérimentales actuelles. L’hydrogène métallique qui pourrait être ramené métastable à pression ambiante serait alors l’hydrure ultime avec : un stockage d’hydrogène optimum (100 % en masse), un pouvoir énergétique de 215 KJ/g (alors que celui du couple O2/H2 est de 16 KJ/g) et enfin il devrait avoir une température de supraconductivité de 220 K.

Objectif de la thèse Le but de cette thèse est d’exploiter l’utilisation du paramètre pression pour progresser dans la compréhension et la synthèse de nouveaux hydrures. Plus particulièrement :

1) Nous chercherons à synthétiser de nouveaux hydrures d’éléments légers comme BeH2 ou BH3. BH3 métallique devrait être stable dans le domaine des 100 GPa avec la structure cubique de AlH3.

2) Les changements de structure avec la pression des composés LiBH4 et NH3BH3 seront étudiés. Ces deux composés sont très prometteurs pour le stockage de l’hydrogène. La stabilisation de nouvelles structures sous pression, certaines pouvant abaisser très fortement la barrière de transformation du composé en hydrogène, pourraient guider ensuite la synthèse de ces structures à pression ambiante par substitution chimique.

3) Enfin, un nouveau type d’hydrures est obtenu sous pression dans lesquels l’hydrogène existe sous forme moléculaire. Le cas d’école de cette classe est le composé de van der Waals Ar(H2)2. Des composés avec le krypton et le xénon seront recherchés. La métallisation de ces composés sous pression devrait présenter les meilleurs analogues de l’hydrogène métallique.

Les expériences sous pression se feront à l’aide des presses à enclumes de diamant. La caractérisation sera faite dans notre laboratoire, par absorption visible ou infra-rouge, par spectroscopie Raman et par mesures de conductivité. Les structures seront étudiées par diffraction X devant le synchrotron de l’ESRF ou la diffusion de neutron au LLB. Des calculs ab-initio, en collaboration avec les théoriciens de notre service, devraient permettre de remonter à des informations microscopiques inaccessibles à l’expérience.

Directeur de thèse Paul LOUBEYRE (CEA/DAM – Île de France))

Contact Paul LOUBEYRE CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00



Sujet Etude sous très haute pression des mélanges (N2,O2,CO et H2) : une voie de recherche pour les propergols du futur

Contexte L'amélioration des systèmes de propulsion est nécessaire pour certains projets de missions spatiales. D'un point de vue purement énergétique, la caractéristique qu'il faut améliorer est le rapport entre l'énergie relâchée au cours de la réaction sur la masse spécifique. Ce sujet de thèse propose un concept en rupture technologique avec les systèmes actuels de propulsion. Les meilleures performances actuelles sont obtenues en utilisant la réactivité des mélanges O2/H2. Des composés qui conduiraient à de meilleures performances sont appelés dans la littérature High Energy Density Materials (HEDM). La grande majorité de la littérature des HEDM porte sur les agrégats d'azote, comme N20. Leur synthèse demeure cependant un défi de chimistes.

Mais le paramètre pression offre des possibilités radicalement nouvelles de synthétiser des matériaux HEDM et de les ramener métastables à pression ambiante. Des résultats très prometteurs ont été récemment obtenus avec la synthèse du poly-N ( Nature Materials 3, 558 (2004)), du poly-CO (Nature Materials 4, 211 (2005)) ou du solide NO+NO3- (Phys. Rev. B 74, 064113 (2006)).

Notre laboratoire est reconnu internationalement pour ses travaux sur les systèmes moléculaires sous très hautes pressions statiques. Trois travaux récents ont fait l’objet de publications remarquées (Observation of an O8 molecular lattice in the epsilon phase of solid oxygen. Nature 443, 201 –204 (2006) / High pressure transformation of N2/O2 mixtures into ionic compounds. Phys. Rev. B 74, 064113 (2006) / Neutron and x-ray diffraction study of the broken symmetry phase transition in solid deuterium. Nature 435, 1206 – 1209 (2005)

Objectif de la thèse Le but de la thèse sera de rechercher des matériaux HEDM en partant de mélanges de gaz (N2, O2, CO, H2). La pression permettra de former des solutions solides ou de nouveaux arrangements moléculaires, de casser les liaisons intramoléculaires, de créer de nouvelles liaisons intermoléculaires (métallique, covalente, ionique). Les expériences seront effectuées dans une presse à enclumes de diamant. La pression pourra alors être couplée à de hautes températures par chauffage laser. Des processus photo-chimiques seront aussi testés pour passer les barrières d'activation. La caractérisation des matériaux obtenus sera faite par des mesures de spectroscopie Raman et infra-rouge dans notre laboratoire ainsi que par diffraction X devant les lignes de diffraction des synchrotrons de l'ESRF ou de SOLEIL.

Directeur de thèse Paul LOUBEYRE (CEA/DAM – Île de France)

Contact Paul LOUBEYRE CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00



Sujet Courbe de fusion des métaux de transition

Contexte La détermination de la courbe de fusion des matériaux est d'une importance considérable pour le CEA et a des implications dans de nombreux domaines de la physique comme la géophysique, l'astrophysique ou tout simplement l'industrie. Ce vieux problème reste toutefois l'un des défis majeurs de la physique du solide, que ce soit d'un point de vue théorique ou expérimental.

De fortes avancées ont été réalisées ces dernières années dans l'amélioration des dispositifs expérimentaux permettant d'étudier les matériaux sous fortes pressions et hautes températures. En ce qui concerne la détermination des courbes de fusion, deux méthodes sont couramment utilisées : la compression sous choc et les cellules enclume-diamant avec chauffage laser.

L'intérêt des calculs est évident. En plus de permettre d'obtenir des résultats sur des matériaux difficilement manipulables comme les actinides, ils permettent également d'atteindre des domaines de pression et de température inaccessibles dans les expériences actuelles. Nous avons récemment utilisé la dynamique moléculaire ab initio pour explorer la courbe de fusion de l'aluminium et de l'uranium. Nos résultats vont plus loin que tout ce qui a été publié à ce jour et ouvrent de nouvelles perspectives au problème de la fusion. Nous proposons de poursuivre ces travaux au sein d'une thèse et d'étudier notamment la fusion des métaux de transition où expériences et théories montrent d'énormes divergences. Une explication a été proposée récemment par Reinhard Boehler et Marvin Ross. Celle-ci est basée sur un élargissement de la bande d dans la densité d'état du liquide, stabilisant celui-ci par rapport au solide. Cet effet électronique, entraînant un adoucissement de la pente de la courbe de fusion, n'apparaîtrait qu'en cas de couche d ouverte : c'est le cas du molybdène ou bien du nickel, à l'inverse du cuivre qui se situe juste après lui dans la série, ou encore du xénon, avec une couche d vide qui se couple en pression sous l'effet d'une hybridation p-d.

Deux approches ont été proposées pour obtenir la courbe de fusion d'un matériau. La première consiste à calculer les énergies libres du solide et du liquide et à déterminer le point de fusion (P,T) par la condition d'égalité de leur énergie de Gibbs (free energy approach). La seconde est basée sur des simulations directes du solide et du liquide en dynamique moléculaire, soit en augmentant la température du solide jusqu'à la fusion et l'apparition du liquide (heat until melt) soit en étudiant le déplacement de l'interface d'un barreau, moitié solide moitié liquide (méthode dite de l'interface).

Objectif de la thèse Les deux types d'approche évoqués ci-dessus pourront être abordés au cours de la thèse. Nous envisageons d'étudier plusieurs métaux de transition afin de dégager des tendances et de mettre en évidence les mécanismes liés à cette transition de phase. Le candidat sera amené à effectuer des calculs sur le supercalculateur TERA du CEA et également à développer de nouveaux algorithmes dans le code de calcul ABINIT.

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

Contact J. BOUCHET CEA/DAM/Ile de France 01 69 26 40 00



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 entrainer différentes sortes de dégradations qui, pour la plupart, sont caractérisées par une augmentation du courant de fuite au travers les 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 transfert d’énergie linéique (« Linear Energy Transfer »-LET) a été identifié comme étant le paramètre principal de la particule 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 apporter des réponses détaillées 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 permettent 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 le gap du matériau. 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-chimiques 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 en lien direct avec d’autres échelles de simulation (simulation Monte Carlo ou modèle continue) et des expériences.


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 étudiée. Les structures de défauts seront ensuite étudiée 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.

La dernière étape sera consacrée à des calculs du transport dans les structures atomiques simulées dans la partie précédente, qui seront alors mis 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) et 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.


Contact N. RICHARD - CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00



Sujet : Élaboration d’équations d’état des produits de détonation d’explosifs secondaires pour des forts taux d’expansion

Contexte : Les équations d’état des produits de détonation existantes sont valides et validées expérimentalement pour des applications de type transmission d’ondes de choc ou de détonation dans des milieux connexes solides, applications pour lesquelles on se focalise a priori sur les premiers instants de la détente des produits de détonation. On peut citer les équations d’état les plus connues et utilisées, l’équation JWL (Jones, Wilkins, Lee) et l’équation H9 (Heuzé). Néanmoins, ces formulations, par exemple, ne sont pas toujours adaptées, notamment si l’on cherche à simuler les effets de souffle d’une explosion, pour lesquels l’ensemble de la détente des produits de détonation est à considérer. Ces derniers atteignent alors des taux d’expansion tels que les équations d’état classiques ne sont plus capables d’être fidèles à la réalité.

Objectif de la thèse : L’objectif de la thèse est donc, après avoir recensé l’ensemble des données et méthodes employées en détonique pour deux explosifs de référence (par exemple TNT – trinitrotoluène ou tolite – et HMX – octogène), de proposer une nouvelle méthode de modélisation des produits de détonation, en améliorant notamment la connaissance de ces gaz au cours de leur expansion (composition, isentrope de détente, etc.)

Déroulement de la thèse : La thèse serait articulée autour de 4 grands axes d’étude.

Tout d’abord, le doctorant devra procéder à une étude bibliographique exhaustive des équations d’état (EOS, equation of state en Anglais) utilisées jusqu’à présent (JWL, H9, et autres équations moins usitées) pour les explosifs retenus (TNT, HMX). Il importera en particulier de déterminer l’ensemble de jeux de paramètres existants, leur signification physique lorsqu’elle existe, de mettre en évidence la méthode d’élaboration de ces EOS (méthode purement expérimentale, utilisation de codes thermochimiques,…), et d’analyser leurs points forts / points faibles. Cette première étape pourra se solder par des propositions d’améliorations possibles pour la problématique des forts taux d’expansion.

La deuxième étape consistera en l’étude théorique et expérimentale de la composition des produits de détonation. Pour cela, des essais en calorimètre de détonation, sous atmosphère contrôlée (azote, oxygène, mélanges de gaz…), seront réalisés et analysés.

A la suite de ces résultats, il faudra élaborer et réaliser des expérimentations pour caractériser complètement l’expansion des produits de détonation (tests du cylindre ou tout autre protocole expérimental qui s’avèrera adapté), sous atmosphère contrôlée.

Enfin, une solution de modélisation devra être proposée et une équation d’état valable pour les forts taux d’expansion devra être proposée. Il faudra pour terminer procéder à des essais permettant de valider l’approche calculatoire (en détonation sphérique par exemple).

Directeur de thèse : Laurent CATOIRE – Université Orléans/ Bourges


Partenaire possible :

SME/CRB, dans le cadre de la collaboration avec le CEG, pourrait être un partenaire privilégié, car cette entité, en tant qu’industriel français du domaine, caractérise l’ensemble de ces explosifs par des méthodes de type « test du cylindre » et fournit en général une équation de type JWL aux utilisateurs potentiels.



Sujet : Amorçage en détonation des explosifs fortement hétérogènes : cas d’explosifs homogènes en présence de particules non réactives. Simulations hautes performances.

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, détonation « pathologique ». Il est également à noter des différences dans leur mode d’amorçage du fait de leur faible porosité et de fortes hétérogénéités comme, par exemple, la présence de particules métalliques. Les modèles utilisés aujourd’hui sont totalement empiriques (majoritairement « Ignition and Growth » développé par le Lawrence Livermore National Laboratory, Forest-Fire développé par le Los Alamos National Laboratory) et identifiés pour reproduire des expériences de choc plan ou des profondeurs d’amorçage en détonation, 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. Si tous les scientifiques du domaine s’accordent sur la réalité physique de points chauds, deux questions se posent : Comment sont-ils générés ? Comment interagissent-ils entre eux ?

Objectif de la thèse : L’objectif de cette thèse est d’accéder à une meilleure compréhension des mécanismes de formation de points chauds dans les explosifs fortement hétérogènes, 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 la détonation qui est la phase finale de la transition des explosifs ; il importe de travailler sur des explosifs écoles facilement modélisables (particules sphériques, liant hydrodynamique, modèles connus ou facilement réalisables) pour pouvoir utiliser des approches de simulation multiphasique et directe.

Il vient à l’esprit des compositions à base de liquide gélifié (nitrométhane) contenant des particules non réactives sphériques et sous forme de microballons, de taille connue et de comportement mécanique simple. Il est proposé deux types de particules d’impédance de choc très différente : l’alumine qui présente un comportement élastique jusqu’à des pressions élevées et la silice couramment utilisée dans les laboratoires étrangers. Il est envisagé des expérimentations les plus pures possibles d’impacts plans (à l’aide d’un lanceur à poudre), en régime d’amorçage, avec une instrumentation au moyen de jauges de vitesse matérielle, d’aiguilles de chronométrie, d’IDF (Interféromètre de Déplacement Fibré) et de pyrométrie optique.

L’objectif est de rechercher l’influence respective des différences d’impédances de choc, de la taille des particules et de la porosité (introduite par les microballons) sur les mécanismes d’amorçage en détonation. Les poudres d’alumine et de silice sont disponibles en plusieurs tailles de particules jusqu’à une centaine de nanomètres, ainsi que sous forme de microballons.

Le CEG disposant d’un modèle de transition choc-détonation pour le nitrométhane pur, il est possible de réaliser des simulations numériques hautes performances multiphasiques et directes pour aider à la compréhension des mécanismes.

Les principales tâches de la thèse sont donc les suivantes. (1) Il convient tout d’abord de réaliser une étude bibliographique exhaustive sur l’amorçage des explosifs fortement hétérogènes à usage conventionnel. (2) Il faudra ensuite mener une étude expérimentale de l’amorçage par choc de compositions écoles « nitrométhane-particules ». (3) Il conviendra de reproduire par simulation numérique multiphasique et directe les résultats de certaines expériences. (4) Enfin, il faudra proposer des solutions de modélisation et élaborer un cahier des charges pour la réalisation d’un modèle physique.

Directeur de thèse : Boris KHASAINOV – Universités de Poitiers – LCD (H.N Presles)




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

Contexte : Le CEG (Centre d’Etudes de Gramat) consacre une part importante de ses activités et de ses ressources à l’étude du comportement dynamique des matériaux. Dans ce domaine il s’est doté d’outils expérimentaux et numériques parmi les plus performants. Dans le cadre de ses études de matériaux, le CEG 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 CEG, 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 CEG.

Déroulement de la thèse : Les travaux de thèse se déclinent comme suit : Il s’agira dans une premier temps de suivre et d’orienter les travaux de développements d’un dispositif de préchauffage d’échantillons métalliques devant être intégré au GEPI (marché d’étude et de réalisation, sous-traité à l’industrie, d’un dispositif permettant de chauffer des échantillons métalliques de l’ambiante jusqu’à 1200 K). Il conviendra en particulier de définir et suivre les essais permettant de mettre au point et d’assurer la recette de 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 en cours faisant l’objet d’une thèse CEG-ENSMA/LCD, thèse C. Chauvin). 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 CEG (thèse C. Mabire, travaux en collaboration avec le CEA-Valduc). 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.

Directeur de thèse : Michel BOUSTIE - Laboratoire de Combustion et de Détonique de Poitiers (ENSMA/LCD)


Autre centre concerné : CEA/DAM/ Valduc



Sujet : Mécanismes d'endommagement et de fissuration des polymères fortement chargés : aspects expérimental

Contexte : Le CEG consacre une part importante à la modélisation du comportement des matériaux réactifs. Ainsi dans le cadre de la sécurisation des Matériaux Énergétiques de Défense (MED), le lien entre les chargements mécaniques et la réponse comportementale de ces matières n'est pas ou peu connu.

Il a été montré que la réponse passait par la connaissance de la microstructure de ces matériaux. Le CEG s’est doté d’un ensemble de moyens d’investigation nouveaux et plus performants : microtomographe (4µm pour échantillon de diamètre 15mm), cellule d’essai in situ, nanotomographie associé au MEB avec platine d’essais in situ. Par ailleurs des développements1,2 sont réalisés pour extraire la morphologie de ces matériaux.

Cet ensemble d’outils qui permet d’accéder à la morphologie des matériaux doit pour en extraire des lois de comportement être complété par des analyses de traitement des données ainsi acquises.

Objectif de la thèse : L’objectif de la thèse est de réaliser des expérimentations spécifiques et de développer des algorithmes de corrélation d’images 3D pour extraire les champs de déplacement présents au sein des matériaux. Des comparaisons expériences-calculs permettront de faire évoluer les modèles de comportements utilisés dans les codes de calcul disponibles au CEG.

Déroulement de la thèse :

Les travaux de thèse se déclinent comme suit :

- Poursuite du développement d’algorithmes de corrélation d’images incluant les propagations de fissures intra et inter granulaires ;

- Réalisation d'essais et de mesure in situ dans un MEB et dans un microtomographe ;

- Evaluation des taux d'endommagement par décohésion en fonction des chargements ;

- Evaluation des taux d'endommagement par fissuration en fonction des chargements.

Un ou des critères de décohésion seront proposés et testés dans le cadre de la description du comportement de ces matériaux par une approche multi-échelles3.

Directeur de thèse : Pr F. HILD, Ecole Normale Supérieure de Cachan, LMT


1 Contrat avec la Société S.A de P. Lambert

² Ecole Supérieure des Mines de Paris, Centre de morphologie Mathématique

3 travaux de thèse S. Dartois



Sujet : Prise en compte des transformations finies dans la modélisation de l’endommagement anisotrope par transition d’échelle de composites particulaires

Contexte : Le CEG consacre une part importante à la modélisation du comportement des matériaux réactifs. Ainsi dans le cadre de la sécurisation des Matériaux Énergétiques de Défense (MED), le lien entre les chargements mécaniques et la réponse comportementale de ces matières n'est pas ou peu connu.

Des travaux1 de thèse ont été consacrés à la construction d’un modèle de comportement obtenu par transition d’échelle incluant l’endommagement par décohésion (grains-matrice). S’appuyant sur une schématisation de la mésostructure du matériau, ce modèle est construit dans le cadre d’une description mécanique en petites déformations. Une description plus réaliste du comportement de la matrice polymère des matières actives nécessite le cadre cinématique des transformations finies.

Objectif de la thèse : Etendre la schématisation précédente aux transformations finies.

Déroulement de la thèse :

Les travaux de thèse se déclinent comme suit :

1. Construction des équations en transformations finies dans la schématisation de Christoffersen.

2. Mise en place de l’algorithme de résolution de ces équations non linéaires.

3. Simulations et analyses pour des chargements simples de la réponse de cette construction.

Directeur de thèse : C. NADOT, ENSMA, LMPM


1Thèse de Sophie Dartois (Université de Poitiers) soutenue en mars 2008 : Prise en compte de l’évolution de l’endommagement anisotrope dans une modélisation par transition d’échelle pour des composites particulaires fortement chargés.

Mécanique des milieux continus


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Sujet Vers une description microscopique de la décroissance des fragments de fission. Contexte La détermination des caractéristiques des neutrons issus de la décroissance des fragments de fission est un problème complexe qui fait intervenir plusieurs domaines de la physique nucléaire. Il s'agit en premier lieu de connaître les distributions des fragments en masse et en charge, pour ensuite décrire la manière dont ces fragments se désexcitent une fois créés. Généralement, les modèles utilisés pour traiter ces deux facettes reposent sur de multiples approximations, souvent trop simples et peu prédictives.

Une thèse a été effectuée pour permettre de prédire les distributions en masse et en charge des fragments de fission. Cette première étude, basée pour partie sur des ingrédients microscopiques peut encore être améliorée grâce à un couplage plus fort avec les méthodes de structure nucléaire développées dans notre service. En effet, parmi les approximations employées lors de cette thèse, certaines ont été clairement identifiées comme étant probablement à l’origine de désaccords entre les résultats obtenus et les données expérimentales :

- La première concerne la description des densités de niveaux qui a été faite avec une forme analytique particulièrement simpliste négligeant les effets de couches et leur évolution avec la déformation des noyaux. On sait pourtant que ces effets de couches sont la cause de nombreuses particularités relatives aux fragments de fission. Il est donc clair qu’introduire les effets de couches dans les densités de niveaux et prendre en compte la manière dont ils évoluent avec la déformation des fragments aura un impact significatif sur la distribution des fragments de fission,

- Une deuxième source d’erreurs était liée à un mauvais accord entre les énergies de liaison théoriques et expérimentales, désaccord corrigé par une normalisation globale des prédictions théoriques indépendante de la déformation quadripolaire des noyaux. Nous avons depuis amélioré notre interaction effective afin de mieux décrire les masses des noyaux et il serait donc intéressant de tester l’influence de cette nouvelle interaction. Rien ne garantit en effet que la normalisation nécessaire avec l’interaction précédente n’ai pas perturbe de façon significative les prédictions,

- Enfin, l’évolution des distributions des fragments de fission en fonction de l’énergie incidente des neutrons n’était pas décrite de manière satisfaisante. Cette défaillance est supposée liée à des effets de température qui ont été négligés mais qui peuvent aujourd’hui être pris en compte essentiellement grâce à l’amélioration des moyens de calculs. La prise en compte de tels effets devrait permettre en particulier de mieux décrire l’augmentation de la probabilité d’obtenir une fission symétrique lorsque l’énergie d’excitation du noyau fissionnant augmente.

L’utilisation des tels ingrédients issus d’approches plus microscopiques qu’analytiques devrait avoir un impact significatif non seulement (i) sur la qualité des prédictions des distributions des fragments en masse et en charge, mais aussi (ii) sur l’énergie d’excitation de ces fragments.

Ces deux informations sont nécessaires pour alimenter le code TALYS de désexcitation statistique qui permet ensuite de calculer les neutrons issus de la décroissance des fragments de fission, majoritairement en compétition avec des photons. Une première approche réalisée au cours d’un travail post-doctoral a permis d’aborder cette problématique en utilisant la encore des hypothèses essentiellement phénoménologiques découplées des études de structure. Il nous semble donc particulièrement intéressant de réaliser ce couplage afin de pouvoir décrire, de façon cohérente, non seulement les fragments crées par la fission d’un noyau, mais aussi la manière dont ils se désexcitent et produisent des neutrons.

Objectif Le but de cette thèse consiste donc à remplacer, autant que possible, les divers ingrédients phénoménologiques par des résultats issus des méthodes de structure nucléaire existantes, afin d’étudier l’impact des diverses approximations sur les caractéristiques des neutrons et gammas de fission. Elle se déroulera au sein d’une équipe d’évaluateurs et de théoriciens en structure nucléaire dont les travaux sont reconnus mondialement. Des moyens numériques exceptionnels, disponibles notamment au centre de calcul du CCRT au CEA/DAM-Ile de France, seront mis à la disposition du doctorant.

Directeur de thèse : Jean-Luc SIDA (CEA Saclay/DSM)

Contact Stéphane HILAIRE CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00

Physique nucléaire


Sujet Structure des états isomères des noyaux exotiques riches en neutrons

Contexte

L'étude récente des noyaux exotiques à l'approche de la limite d'existence de la matière nucléaire a révélé une riche variété de phénomènes nouveaux. Ces comportements ont permis d'améliorer la compréhension de l'évolution du noyau atomique dans des conditions extrêmes d'isospin. La limite de stabilité nucléaire, pour les noyaux riches en neutrons, a été mise en évidence pour les noyaux légers, typiquement jusqu'a l'oxygène (Z=8). Pour les systèmes plus lourds, les études spectroscopiques se limitent à des noyaux relativement proches de la vallée de stabilité bêta. La mesure expérimentale des propriétés à l'extrême limite d'existence de la matière nucléaire permettra de tester notre compréhension du noyau atomique dans une région très éloignée de celle où les différents modèles nucléaires existants ont été élaborés.

Une première étape est de vérifier la persistance des fermetures de couches pour les noyaux éloignés de la stabilité bêta. A ce jour, il a été mis en évidence l'effondrement des couches fermées N=20 et N=28, ceci se caractérisant par une faible énergie de liaison ainsi qu'une forte déformation. L'apparition de régions de déformation impliquant généralement l'existence d'orbitales intruses montre clairement que la structure nucléaire est fortement perturbée pour les noyaux dont le rapport nombre de neutrons sur nombre de protons N/Z est anormalement élevé. L'effondrement des couches magiques fait, par la même occasion, apparaître de nouveaux nombres magiques (ex : N=16, N=34...) dans les régions exotiques.

Objet du travail de thèse

Le sujet de thèse proposé concerne l'étude spectroscopique des noyaux riches en neutrons produits par réaction de fragmentation du projectile. La structure nucléaire de ces noyaux peut être plus aisément comprise par l'étude des propriétés des états isomères, ceux-ci étant des états généralement de grande pureté plus facilement interprétables par la théorie. Il sera ainsi étudié la structure en couches des noyaux approchant la limite d'existence nucléaire par le biais d'états isomères en mesurant les moments magnétiques et quadripolaires de ces états.

Les expériences seront menées auprès du Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL) à Caen, en utilisant le spectromètre LISE pour la production et la sélection de fragments secondaires. Le système de détection utilisé permettant la mesure des moments statiques a été élaboré lors des expériences précédentes et nécessitera des améliorations. Le doctorant participera activement aux tests du dispositif et à la prise de données. Il analysera ensuite les données recueillies. L'interprétation des résultats sera réalisée à l'aide de modèles microscopiques développés au sein de l’unité, en collaboration avec le laboratoire Structure Nucléaire Théorique. Les travaux seront présentés par le doctorant dans des conférences et des revues internationales. Le doctorant s'investira dans la réflexion et la proposition d'autres expériences concernant cette étude.

Directeur de thèse : Jean-Luc SIDA (CEA)

Contact J.-M. DAUGAS CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00

Physique nucléaire


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. Néanmoins, les hypothèses faites dans les approches théoriques sont parfois trop restrictives pour reproduire certaines données expérimentales. Nous proposons donc d’élaborer une approche à mi-chemin entre deux formalismes complémentaires ayant respectivement bien reproduit la plupart des noyaux. La première est la Quasi-particle Random Phase Approximation (QRPA), où l’on suppose qu’une variation infinitésimale autour du point d’équilibre fournit toutes les informations nécessaires à la description du noyau et de ces états excités. La seconde est la méthode de la coordonnée génératrice (GCM), un mélange de configurations nucléaires ayant des « formes très différentes ». L’approximation de recouvrement gaussien (Gaussian overlap approximation GOA) simplifie les calculs à plusieurs degrés de liberté, mais ne permet pas de traiter les noyaux rigides vis-à-vis de la déformation.

Il est possible d’unifier les deux méthodes en calculant exactement les paramètres d’inertie vibrationnels, dits masses collectives, à partir d’un calcul de type QRPA, ces masses étant un ingrédient essentiel des calculs GCM avec GOA. Notons que l’approche QRPA est maintenant opérationnelle en symétrie axiale avec l’interaction effective de Gogny.

Objectif

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 masses QRPA et une évaluation des différences entre le calcul exact et les formules utilisées jusqu'à maintenant. 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 sur SPIRAL2. 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 (CEA/DAM/Ile de France)

Contact S. PERU - CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00

Physique nucléaire


Sujet Vers un traitement unifié des corrélations nucléaires de longue portée

Contexte

Les théories usuelles conduisant à une résolution approchée du problème à N-corps nucléaire sont formulées à partir de la notion sous-jacente de particules indépendantes. Cette hypothèse, bien souvent trop restrictive, fournit une description partielle de la structure des noyaux. Il est capital d’aller au-delà et de prendre en compte au moins une partie des corrélations entre les nucléons alors négligées. L’existence de la superfluidité nucléaire, les excitations collectives (résonances géantes, fission…), le couplage entre excitations individuelles et collectives (inversion de parité dans des noyaux légers…) sont les manifestations directes de ces corrélations.

Objectif

Notre laboratoire propose une nouvelle méthode offrant le cadre idéal pour traiter de façon unifiée les corrélations au-delà de l’approximation de champ moyen : le mélange de configurations multiparticules-multitrous (mp-mh) variationnel. La conservation exacte du nombre de particules, le respect complet du principe de Pauli et la possibilité d’étudier sur un pied d’égalité les noyaux pair-pair, pair-impair et impair-impair en font une méthode très prometteuse.

Cette méthode a été appliquée dans un premier temps avec succès à la superfluidité nucléaire. Il est maintenant crucial d’étendre cette étude aux corrélations plus générales et notamment celles associées aux excitations collectives. Cette étude pourra conduire à des développements nouveaux de la méthode de mélange de configurations mp-mh variationnel, tant du point de vue théorique que numérique. En outre, elle permettra de tester voire d’améliorer l’interaction effective phénoménologique de Gogny utilisée dans notre laboratoire.

Lors de cette thèse, l’étudiant acquerra un savoir faire unique sur le problème à N-corps. Il aura l’opportunité d’interagir avec de nombreux physiciens théoriciens et expérimentateurs de notre laboratoire et de laboratoires extérieurs avec qui nous collaborons. En outre, il aura l’occasion de présenter son travail de recherche dans des conférences et bénéficiera des moyens de calcul exceptionnels du CEA/DAM-Ile de France. Un stage de Master pourra être effectué. Une connaissance préalable du problème à N-corps n’est pas demandée.

Directeur de thèse J.-F. BERGER

Contact N. PILLET CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00

Physique nucléaire


Sujet Etude de réaction de capture neutronique sur des noyaux instables avec le détecteur DANCE Résumé Différents domaines allant des études sur les générations futures de réacteurs nucléaires à l’astrophysique ont besoin de données nucléaires plus complètes (noyaux instables, noyaux excités…) et plus précises (gamme en énergie plus étendue). Les évaluations de ces données sont supportées par des modèles théoriques qui ont besoin d’être validés, sur des données expérimentales. Actuellement, les réactions de capture radiative de neutrons sont connues pour un grand nombre de noyaux stables. Pour les noyaux radioactifs, de nouveaux instruments ont été développés tels que le détecteur DANCE installé à Los Alamos. Celui-ci est spécialement consacré à l’étude des réactions de capture radiative de neutrons. Bénéficiant d’une conception moderne, DANCE est un outil particulièrement efficace pour la mesure de l’énergie γ. L’ensemble permet de proposer des expériences avec des échantillons de masse inférieure au mg, c’est-à-dire avec des éléments rares comme certains isotopes radioactifs (jusqu’à 1 Curie). Objectif Le sujet proposé fera suite à différentes expériences réalisées au sein de la collaboration entre notre laboratoire et le laboratoire de Los Alamos. L’étude portera sur la réaction de capture radiative sur des isotopes radioactifs du lutétium, en particulier sur l’isotope 174Lu. Cet isotope présente la particularité d’avoir un état fondamental et un état excité de longue durée de vie permettant d’étudier la capture radiative sur les deux niveaux ; donnée précieuse pour contraindre les modèles. Cette étude comportera la conception d’une cible solide de 174Lu, la réalisation de ces expériences aux Etats-Unis suivie de l’analyse. Une seconde partie concernera la faisabilité de telles expériences sur des isotopes radioactifs gazeux. Le travail consistera alors à concevoir une cible gazeuse. Il s’agira là d’un travail prospectif et ambitieux.

Directeur de thèse G. BARREAU

Contact O. ROIG - CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00

Physique nucléaire


Sujet Etude expérimentale du spectre en énergie des neutrons prompts émis dans la fission nucléaire

Contexte L’énergie des neutrons prompts émis lors du processus de fission nucléaire est une observable fondamentale tant sur le plan des applications que d’un point de vue plus fondamental. Or, paradoxalement, elle n’est qu’approximativement connue.

En première approximation, le spectre en énergie des neutrons prompts de fission peut être décrit par une Maxwellienne qui témoigne de la nature statistique de l’évaporation des neutrons par les fragments. Néanmoins des écarts importants sont observés par rapport à cette description, en particulier le cas dans la partie de basse énergie du spectre (énergie cinétique des neutrons émis inferieure à 1 MeV).

La thématique de l’énergie des neutrons de fission connait actuellement un important regain d’intérêt au niveau international. En particulier nous participons à un projet de recherche actuellement coordonné par l’Agence Internationale pour l’Energie Atomique (AIEA) de l’ONU sur ce sujet. Ce regain d’intérêt est dû notamment aux désaccords importants existant entre les différents jeux de mesures dans les domaines thermique et rapide. L’impact de ces différences est très important dans les calculs de criticité. Les conséquences sont également très importantes pour la compréhension des mécanismes mis en jeux dans le processus de fission et la mise au point de modèles théorique prédictifs.

De nouvelles mesures permettant de clarifier la situation sont attendues au niveau international.

Travail de thèse Le doctorant prendra une part active à la réalisation de campagnes de mesures des spectres en énergie des neutrons prompts de fission pour les actinides majeurs et certains actinides mineurs. En particulier, les corps tels que 238U, 235U, 239Pu et 237Np seront étudiés pour différentes énergies de neutrons incidents. Les expériences seront menées auprès de l’accélérateur Van de Graaff de 4 Mégavolts de Bruyères le Châtel mais aussi à l’IRMM de Geel (Commission Européenne) dans le cadre d’une collaboration avec cet institut.

Des chambres à fission contenant plusieurs dizaines de milligrammes d’actinides seront irradiées par des faisceaux de neutrons monoénergétiques. Plusieurs types de détecteurs de neutrons pourront être utilisés dont des cristaux organiques scintillants de paraterphényle.

La préparation de ces campagnes s’accompagnera de tests expérimentaux, et de simulations Monte Carlo du dispositif et des processus physiques mis en jeu.

Le doctorant aura la charge de l’analyse des résultats obtenus lors des mesures et de leur interprétation en termes de modèles de physique nucléaire. Il aura l’avantage de pouvoir être en prise directe avec les théoriciens et évaluateurs du service.

Le doctorant sera amené à présenter ses résultats dans des réunions et congrès internationaux.

Environnement de travail Le doctorant effectuera ses recherches au sein d’une petite équipe elle-même faisant partie d’un groupe de physiciens impliqués dans des expériences sur la fission. L’équipe est expérimentée et possède une expertise certaine dans le domaine de la mesure de l’énergie des neutrons de fission. Une des spécificités du service de physique nucléaire est de regrouper expérimentateurs et théoriciens au sein d’une même unité. Cet avantage pourra être avantageusement mis à profit par le doctorant. Enfin, le doctorant pourra éventuellement s’impliquer dans les autres expériences à thématique voisine menées par les physiciens du service, en particulier les expériences sur la fission réalisées à Los Alamos.

Profil recherché L’étudiant sera animé de curiosité scientifique, et doué d’un esprit d’initiative et de créativité. Une expérience dans le domaine de la physique nucléaire expérimentale est souhaitable mais non obligatoire. La maitrise de l’outil informatique et de programmation est très souhaitée.

Directeur de thèse G. BARREAU

Contact T. GRANIER CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00

Physique nucléaire


Sujet Mesures de bruit neutronique auprès des réacteurs CALIBAN et PROSPERO - Evaluation des paramètres cinétiques et des incertitudes associées

Contexte Une expérience de « bruit neutronique » réalisée sur un réacteur de recherche permet de déterminer des paramètres cinétiques qui sont caractéristiques du « combustible nucléaire» du réacteur. Lors de ce type d’expériences, le réacteur est maintenu dans un état stable de criticité, et les signaux traduisant l’activité neutronique du réacteur sont enregistrés. La filiation des neutrons dans les chaînes de fission présente un écart sensible de comportement par rapport à celui d’une source radioactive qui suit une loi de type Poisson. Il est donc nécessaire d’analyser les données expérimentales (comptages neutroniques) à l’aide d’autres méthodes statistiques, pour remonter aux caractéristiques du système fissile. Le Service de Recherche en Neutronique et Criticité du centre CEA de VALDUC possède trois réacteurs de recherche : deux réacteurs à cœur métallique CALIBAN et PROSPERO, composés principalement d’uranium 235, et un réacteur à combustible liquide SILENE, qui met en œuvre une solution de nitrate d’uranyle très enrichie en uranium 235. Des expériences de mesures de « bruit neutronique » ont déjà été réalisées, notamment auprès du réacteur CALIBAN. Les mesures réalisées ont permis d’évaluer certains paramètres cinétiques du réacteur, mais ces résultats restent cependant perfectibles et il serait notamment nécessaire de pouvoir déterminer les incertitudes qui y sont associées.

Objectif de la thèse L’objectif de ce travail de thèse est de développer des méthodes d’analyse avancées permettant de déterminer les incertitudes expérimentales et calculatoires associées aux paramètres cinétiques déduits des mesures de bruit neutronique réalisées auprès des réacteurs du Service RNC.

Déroulement de la thèse L’étudiant devra notamment étudier les conséquences du passage d’un modèle ponctuel à un modèle en géométrie finie. Dans cette optique, il développera des méthodes ou des algorithmes de type Monte Carlo afin d’évaluer les facteurs de correction géométrique. Enfin, il appliquera au cas d’un détecteur à l’hélium les méthodes d’analyse qu’il aura développées lors de son étude.

Directeur de thèse A déterminer

Contact CEA/DAM/VALDUC – Département Recherches sur les Matériaux Nucléaires - Service Recherche en Neutronique et Criticité – Nicolas AUTHIER, Pierre CASOLI, Pascal GRIVOT - 03 80 23 40 00

Physique nucléaire, neutronique


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Sujet Nouveaux électrolytes pour batteries Lithium-Ion 5V

Contexte Les accumulateurs Li-ion suscitent de plus en plus d’intérêts depuis l’essor des technologies dites « nomades » car ils peuvent stocker un maximum d’énergie pour un minimum de poids et d’encombrement avec une très bonne fiabilité. Le couple de matériaux d’électrodes LiC6/LiCoO2, le plus utilisé actuellement dans les accumulateurs Li-ion, a une tension nominale de 3.9V et une énergie spécifique de 160 Wh/kg. Les accumulateurs font encore aujourd’hui l’objet de nombreuses recherches afin d’améliorer leur capacité, leur sécurité d’utilisation, de réduire leur temps de charge. Ces travaux se font notamment en étudiant de nouveaux couples d’électrodes et de nouveaux types d’électrolytes. Les récents développements (en particulier au CEA-Liten) dans les domaines des matériaux d’électrodes positives dont la tension nominale atteint 5V ouvrent des perspectives très intéressantes en termes de densité énergétique (200 Wh/kg) et de réduction des coûts des batteries (réduction du nombre d’élément 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. 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.

Objectif de la thèse Cette thèse vise d’une part à résoudre le problème d’instabilité de l’électrolyte organique et d’autre part à étudier l’interface électrode/électrolyte pour les batteries lithium-ion, en particulier à haut potentiel. A cette fin, seront formulés des nouveaux électrolytes.

Déroulement de la thèse Le sujet de thèse proposé consiste à concevoir, élaborer et optimiser la composition d’un nouvel électrolyte relativement complexe comprenant une fonction spécifique (à préciser) ou un liquide ionique en mélange avec un ou plusieurs solvants organiques en présence de sel de lithium. Ensuite, l’électrolyte sera testé en demi-accumulateur comprenant du lithium métallique et une cathode 5V et, si les résultats sont satisfaisants, en accumulateur Li-ion complet. Les électrolytes innovants formulés devront être compatibles avec l’application visée « batteries Li-ion ». Ils devront être « électrochimiquement » compatibles d’une part, avec une négative graphitique, et d’autre part avec des positives hautes tensions puis 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.

Directeur de thèse Daniel LEMORDANT (Université de Tours)

Contact CEA DAM Le Ripault, Hervé GALIANO 02 47 34 40 00

Science des matériaux


Sujet Elaboration de matériaux sensibles pour capteurs chimiques de gaz

Contexte La détection de substances toxiques ou explosives dans l’air constitue un enjeu crucial pour la sécurité civile, la lutte anti-terrorisme ou le contrôle d’environnements industriels. De ce fait, le CEA Le Ripault participe au développement de capteurs chimiques de gaz et plus particulièrement de la couche active sur laquelle s’adsorbent spécifiquement les molécules à détecter. Ces composés, tels que les nitroaromatiques ou les peroxydes organiques, présentent des tensions de vapeur très faibles, ce qui rend leur détection difficile. Il est donc nécessaire de disposer de capteurs ultrasensibles et très sélectifs. Certaines techniques analytiques, telles que la chromatographie et la spectroscopie, sont d’ores et déjà applicables dans ce domaine, mais ces appareillages coûteux et encombrants sont difficilement utilisables sur le terrain. L’objectif du développement de capteurs chimiques de gaz est de pallier ces inconvénients en proposant à terme un dispositif miniaturisé, de faible coût et qui fonctionne éventuellement en continu. Le principe de fonctionnement des capteurs chimiques de gaz repose sur l’interaction hétérogène de la molécule cible (sous forme de gaz) avec un matériau sensible (sous forme de couche mince) qui engendre la variation d’une ou de plusieurs propriétés physicochimiques de ce dernier. Un système de transduction adapté permet ensuite de convertir cette information en signal électrique exploitable permettant de signaler la présence ou non de la molécule cible dans l’atmosphère.

Principe de fonctionnement d’un capteur chimique de gaz.

Les capteurs chimiques de gaz sont regroupés en quatre classes, suivant la propriété physicochimique mise en jeu par l’adsorption du gaz : les dispositifs acoustiques/gravimétriques, les capteurs résistifs et électrochimiques, les capteurs optiques, et les capteurs catalytiques. Cette étude s’intéresse plus particulièrement aux capteurs optiques et notamment aux propriétés de fluorescence du matériau sensible.

Objectif de la thèse Cette thèse a pour objectif de développer des matériaux sensibles innovants pour la détection de composés explosifs. Le but est de réaliser une étude complète de la synthèse du matériau sensible jusqu’aux tests de détection en présence des gaz cibles. Déroulement de la thèse Cette étude se focalisera dans un premier temps sur la réalisation de matériaux présentant des propriétés de fluorescence (nanoparticules inorganiques modifiées ou dopées). L’objectif sera dans un second temps de relier les propriétés physico-chimiques du matériau (composition, structure, surface spécifique, ...) aux interactions développées avec le gaz cible. En particulier, les affinités gaz/matériau sensible seront mises en valeur par le suivi des propriétés de fluorescence. Les performances du capteur seront enfin évaluées. En s’appuyant sur les résultats des matériaux fluorescents, cette étude couvrira également l’utilisation d’autres systèmes de détection permettant d’élargir le spectre de composés détectables.

Ces travaux pourront donner lieu à des publications et des communications dans des congrès internationaux. De plus, le doctorant travaillera en étroite collaboration avec les différentes équipes du projet (matériaux, détection, prototypage, ...).

Directeur de thèse A déterminer

Contact CEA DAM Le Ripault, Franck PEREIRA 02 47 34 40 00



Sujet Synthèse de nouvelles molécules en tant que composés bioactifs ou énergétiques.

Contexte Les molécules aromatiques azotées peuvent trouver de nombreuses applications. Au CEA Le Ripault, des molécules tricycliques ont été étudiées dans le but d’accéder à des structures possédant des propriétés énergétiques. Les domaines d’application visés sont la propulsion, les airbags et les explosifs insensibles. Des résultats intéressants ont été obtenus, avec la synthèse de nouvelles structures fortement azotées. L’originalité de ces structures nous amène à poursuivre les efforts dans la recherche de composés énergétiques, mais également à élargir leur spectre potentiel d’application en les utilisant comme base pour l’obtention de molécules bioactives.

Le partenariat entre le CEA Le Ripault et l’Institut de Chimie Organique et Analytique (ICOA) de l’université d’Orléans, contractualisé au sein du Laboratoire de Recherche Conventionné M09, offre un cadre idéal pour la thèse proposée.

Objectif Le but de la thèse est d’accéder à de nouvelles molécules présentant soit une activité biologique (cibles : système nerveux central, cancer…), soit un intérêt en tant que composé énergétique. L’originalité de ce sujet est liée au fait que, à partir d’un même squelette polyaromatique azoté, il est possible de modifier spécifiquement la structure afin d’obtenir des molécules soit bioactives, soit énergétiques. Ainsi, à partir d’un cœur commun, deux applications qui paraissent a priori très différentes peuvent être visées :


+ pharmacophores + explosophores

molécules biologiquement activesmolécules énergétiques



Déroulement de la thèse Dans un premier temps, il s’agira de construire la plateforme aromatique azotée qui servira de partie commune aux deux applications. Les deux centres de recherche (CEA Le Ripault et ICOA) possèdent chacun une forte compétence et une excellente complémentarité, à la fois en terme de méthodologie et de types de composés, dans la chimie des aromatiques azotés.

Dans un deuxième temps, on s’attachera à fonctionnaliser les structures de base en vue d’obtenir des composés soit énergétiques, soit actives sur des cibles thérapeutiques identifiées. Côté applications dans le domaine de la santé, l’ICOA est reconnu pour ses travaux dans différents domaines thérapeutiques. Le réseau de collaboration de l’ICOA avec de nombreux biologistes permettra d’ailleurs l’évaluation des produits sur de nombreuses cibles (cancer, système nerveux central, virus…). Parallèlement, le CEA Le Ripault constitue un pôle reconnu d’expertise dans le domaine des composés énergétiques et dispose des moyens nécessaires pour valider leur intérêt (calculs, mesures de paramètres expérimentaux). Par conséquent, le sujet proposé exploite pleinement le potentiel de chacun des deux organismes.

Directeurs de thèse Eric PASQUINET (CEA DAM Le Ripault), Gérald GUILLAUMET (ICOA)

Contact CEA DAM Le Ripault, Eric PASQUINET 02 47 34 40 00



Sujet Modifications du comportement thermomécanique de revêtements de zircones stabilisées projetées plasma sous l’action d’un vieillissement hydrique

Contexte Les revêtements réfractaires de céramiques ou de métaux déposés par projection plasma sont couramment utilisés dans le domaine de l’aéronautique comme barrières thermiques (chambre de combustion..). Les zircones stabilisées à l’yttrine (ZrO2, Y2O3) en sont un exemple puisqu’elles font partie des matériaux développés pour les réacteurs haute température nouvelles générations. Ces dépôts possèdent une microstructure particulière qui leur confère une résistance aux sollicitations thermiques intéressante. En effet, la porosité et la fissuration au sein des revêtements, associés aux propriétés intrinsèques de la zircone stabilisée, permet d’assurer un renfort thermique de la pièce revêtue. Malheureusement, cette microstructure particulière, conséquence de la mise en œuvre, peut dans certains cas être néfaste pour l’application visée. En effet, une réduction des propriétés mécaniques est souvent observée dans les matériaux projetés, par rapport à celles relevées pour la zircone stabilisée. Trois types de zircone stabilisée à l’yttrine sont généralement rencontrés. Ils sont associés à la symétrie cristallographique propre à leur arrangement structural : cubique, quadratique et monoclinique. Les domaines d’existence de ces trois formes sont associés au taux d’Y2O3 dans le réseau et à la température. En effet, des transitions sont en général observées à haute température. On notera par exemple la transformation martensitique de phase à l’état solide monoclinique quadratique apparaissant autour de 1000°C et qui s’accompagne d’une augmentation de volume de 3%. Cette dilatation du matériau peut générer des contraintes internes induisant potentiellement une modification de la tenue mécanique du revêtement. Certaines études ont montré de plus qu’une exposition d’un dépôt à une hygrométrie de 75%RH conduit à une augmentation de la contrainte de compression dans les films. La thèse proposée concerne la compréhension des mécanismes de dégradation de ce type de couche sous l’action du vieillissement thermo-hydrique contrôlé. Dans ce but, il est indispensable de corréler les lois de comportement thermomécanique de revêtements de zircones stabilisées projetées plasma, aux paramètres liés à la structure, la microstructure de ces matériaux et à leurs évolutions sous l’action du vieillissement. Objectif de la thèse Le sujet proposé consistera à corréler les propriétés mécaniques de différents types de dépôts de zircone aux informations structurales et microstructurales et à étudier l’influence d’un vieillissement thermo-hydrique. Le candidat s’appuiera sur les compétences du laboratoire dans le domaine de la caractérisation des matériaux Déroulement de la thèse Les travaux de thèse se déclinent comme suit : Une première étape consistera en l’élaboration de dépôts minces de zircone yttriée par projection plasma. Pour ce faire, le candidat pourra s’appuyer sur les compétences et les moyens du Laboratoire de Projection Thermique du CEA Le Ripault. Cette première étape permettra d’obtenir les échantillons nécessaires à la suite de l’étude. Différents paramètres seront étudiés comme l’épaisseur des dépôts, le taux d’yttrium et les caractéristiques du plasma. Parallèlement, une analyse bibliographique sera menée sur les études de vieillissement de la zircone yttriée se présentant sous forme céramique, afin de dégager un programme de travail cohérent sur l’ensemble de la thèse. Dans un deuxième temps, une étude sera effectuée afin de dégager le comportement thermomécanique en lien avec la microstructure des dépôts avant vieillissement. Ce point permettra l’obtention d’une base de données du comportement de la zircone déposée plasma avant vieillissement suivant le taux d’yttrium, les conditions de projection et l’épaisseur des dépôts. La dernière étape de la thèse sera basée sur le vieillissement des dépôts sous l’action du vieillissement hydrique afin de dégager les lois d’accélération, comme dans le cas des céramiques de zircone. La thèse est fortement basée sur une approche expérimentale, que ce soit au niveau de l’élaboration des matériaux projetés plasma mais aussi des moyens de caractérisations mis à la disposition du candidat au Laboratoire Microstructure et Comportement.

Directeur de thèse Sébastien LAMBERT – CEA/DAM Le Ripault

Contact CEA DAM Le Ripault, Sébastien LAMBERT 02 47 34 40 00



Sujet Elaboration et caractérisation de composite hyperfréquence à base de pellicules ferromagnétiques

Contexte Les composites ferromagnétiques à inclusions lamellaires orientés suscitent à l'heure actuelle un fort intérêt au niveau international. Ces matériaux sont généralement constitués d'inclusions présentant un grand rapport de forme (r~50 à 100 ou r est le rapport entre la dimension caractéristique latérale et l'épaisseur) dispersés dans une matrice isolante de type polymère. La nature des inclusions correspond le plus souvent à des alliages à base de Fer (FeSiAl, FeNiMo, ..).

Objectif de la thèse Cette thèse a pour objectif de développer des composites absorbants minces (de l'ordre du millimètre) dans une large bande spectrale (1-10 GHz). On étudiera en particulier le lien entre les procédés de réalisation, la structure du composite et les propriétés hyperfréquence.

Déroulement de la thèse La thèse démarrera par une bibliographie afin de connaître l'état de l'art sur le sujet, ainsi que par la caractérisation des produits commerciaux existants. Ensuite à partir d'inclusions pelliculaires commerciales que l'on choisira de manière adéquates, il s'agira de réaliser des composites par différents procédés de type moulage ou coulage en bande et peintures et de caractériser leur propriétés hyperfréquence et d'analyser les résultats à l'aide de modèles analytiques et numériques d'homogénéisation. L'un des paramètres clés est la maitrise de la morphologie du composite depuis l'enrobage ou le post traitement thermique des inclusions pelliculaires, jusqu'à leur répartition dans la matrice. Cette morphologie est intimement corrélée aux niveaux de permittivité et de perméabilité du composite et fera l'objet d'analyses structurales approfondies. Si un des buts de la thèse sera d'obtenir des performances intéressantes et au niveau des réalisations internationales, il sera très important de dégager les paramètres pertinents de la morphologie à contrôler et le lien avec les procédés. On pourra envisager une modélisation de la construction du composite qui devra s'appuyer sur une démarche expérimentale importante et être étayer par différentes méthodes de caractérisations. Cette thèse serait effectuée en collaboration avec l'Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (ICPMS) en particulier pour les caractérisations structurales et avec Dassault Aviation au niveau d'une partie de la modélisation.

Directeur de thèse proposition à valider Geneviève POURROY (ICPMS Strasbourg)

Contact CEA DAM Le Ripault, François DUVERGER 02 47 34 40 00



Sujet Revêtements optiques par procédé sol-gel

Contexte Les performances des cellules photovoltaïques sont une préoccupation importante de l’industrie de l’énergie solaire d’aujourd’hui. L’optimisation du système réside dans l’augmentation du rendement solaire pour les cellules silicium en évitant les pertes lumineuses. Différentes voies sont étudiées, des voies technologiques dans la mise en série de cellules élémentaires avec des matériaux qui répondent différemment en terme d’absorption spectrale et des voies optiques qui favorisent la transmission de l’ensemble du spectre d’illumination et permettent de concentrer la lumière dans la gamme spectrale d’intérêt. Cette dernière voie intègre l’utilisation de couches multidiélectriques permettant la mise au point de couches antireflets large bande et de matériaux convertisseurs de fréquence pour concentrer le spectre solaire dans la gamme du visible qui présente le meilleur rendement quantique. Le laboratoire Sol-Gel et Simulation du CEA/Le Ripault développe depuis de nombreuses années des revêtements optiques pour des applications laser de puissance. L’activité du laboratoire comprend à la fois l’élaboration des matériaux par voie sol-gel et leur mise en forme sur des substrats de dimension de l’ordre du m2 par des techniques de dépôt de type enduction centrifuge (spin-coating), trempage-retrait (dip-coating) ou enduction laminaire (meniscus-coating). Cette double compétence permet de répondre à un objectif de recherche appliquée en partant du développement de la solution et en allant jusqu’à sa mise-en-œuvre par la réalisation de prototype.

Objectif de la thèse L'objectif de la thèse sera d'étudier le développement d’empilements de couches minces optiques bas et haut indice de réfraction et la mise au point de revêtements à base de matériaux luminophores pour l’optimisation du rendement quantique d’une cellule photovoltaïque. La nanostructuration des couches minces sera particulièrement exploitée pour limiter le nombre de couches optiques et l’optimisation du rendement de conversion spectrale. Déroulement de la thèse Le travail de thèse consistera à optimiser la formulation de solutions sol-gel à base de nanoparticules inorganiques et/ou d’espèces moléculaires organométalliques, terres rares, à optimiser le procédé de mise en œuvre des couches et à étudier l’empilement des couches actives sur la base d’une caractérisation fine par spectroscopie UV-Visible, de fluorescence et de rendement solaire. Le développement de ces matériaux ira jusqu'à la mise en œuvre sur cellules pour analyser l’impact sur le rendement de conversion photovoltaïque. Le travail s’effectuera au Laboratoire Sol-Gel et Simulation du CEA / Le Ripault, en collaboration étroite avec les équipes du CEA/ Grenoble (DRT/LITEN) et d’unités situées à INES au Bourget du Lac.

Directeur de thèse Philippe BELLEVILLE (CEA/DAM/Le Ripault)

Contact CEA DAM Le Ripault, Karine VALLE 02 47 34 40 00

Science des Matériaux


Science des Matériaux

Sujet Impact de l’usinage de superfinition sur la zone affectée par le procédé : application à un matériau à changement de phase

Contexte L'impact que peut avoir un procédé d'élaboration (meulage, grenaillage, usinage, rectification…) sur la santé matière du produit fini constitue un grand intérêt industriel et scientifique et donne par conséquent lieu à de nombreuses études de recherche et de développement. Dans le cas de l'usinage, différentes études aboutissant parfois à des modèles tendent à représenter les phénomènes complexes mis en jeu lors d'une opération de coupe, et plus particulièrement en ce qui concerne les contraintes résiduelles. Celles-ci sont souvent mesurées par diffraction des rayons X ou reliées à des grandeurs de dureté du matériau considéré. Cette modélisation de l'interaction entre l'outil et la matière met en œuvre des grandeurs liées à la coupe (échelle de la pièce ou de l'outil) et d'autres liées au matériau (échelle de la "pointe d'outil"), d'où différentes échelles envisagées dans les diverses modélisations du phénomène de coupe existantes à l'heure actuelle. La plupart des études se positionnent dans le cas de la coupe orthogonale, où les mécanismes de formation du copeau sont plus simples que dans le cadre de la coupe oblique, plus représentative des opérations industrielles réelles d'usinage. Les aspects thermiques sont grandement étudiés (et modélisés), ainsi que l'étude des paramètres d'usinage, en parallèle de la mesure des contraintes résiduelles sans pour autant toujours mettre en relation ces deux types de grandeurs, surtout lors de l'étude de la qualité de la surface en "extrême surface".

Objectif de la thèse Cette thèse a pour objectif de caractériser les champs de "défauts" liés à l’usinage à l’outil coupant, d’en extraire une interprétation cohérente sur le rôle de certaines conditions de coupe, de comprendre les relations conditions de coupe / défauts, et de développer une modélisation pragmatique en extrayant des variables internes simples représentatives de l’"élasticité résiduelle", de la texture et des densités de dislocations. L’impact de ces champs de défauts sur la réactivité des surfaces devra être estimé à partir de mesures électrochimiques et d’analyses de surface à l’échelle microscopique.

Déroulement de la thèse Cette étude est axée sur une amélioration des connaissances générales dans le domaine de la structure et de la réactivité d'une surface métallique modifiée par différentes méthodes mécaniques d'enlèvement de matière et subissant différents traitements thermomécaniques. Au cours des trois années, il s’agira de : - quantifier les relations entre les paramètres procédés (usinage avec fluides inclus) et l’endommagement de la sous-couche, en définissant les champs de défauts majeurs (tels que les contraintes résiduelles, le micro-écrouissage, la texture, présence de phase, etc.). - développer et/ou adapter une modélisation semi-analytique existante à l’aide de variables internes simples représentatives des champs de défauts définis précédemment. Trois échelles d’investigation seront considérées en profondeur : la zone 10-1000 µm dans laquelle l’élévation très rapide de température ne génère généralement que des contraintes résiduelles sans modification microstructurale (c’est la zone qui est généralement étudiée). Dans la zone 0-5 µm, la phénoménologie est plus compliquée (la microstructure et la composition chimique peuvent être fortement affectées et il y a apparition d’une texture, de microdistorsions et de forts champs de contraintes résiduelles). L’extrême surface où un changement de la composition chimique peut se produire. - réaliser les mesures électrochimiques et les analyses chimiques de surface adaptées aux surfaces modifiées par des procédés métallurgiques et étudier l’impact de ces changements sur la réactivité de la surface. Cette étude fait suite à une thèse soutenue en Octobre 2009 durant laquelle un travail similaire a été réalisé sur le matériau cuivre. Il s’agira donc également de poursuivre et d’adapter les travaux antérieurs dans le cas d’un matériau à changement de phase.

Directeur de thèse Vincent VIGNAL (UB/ICB-CNRS)

Contact CEA/DAM/Valduc Stéphanie BRETON ou Jean-Yves CORDIER 03 80 23 40 00


Sujet Généralisation des modèles d’efforts de coupe par la méthodologie du Couple Arête-Matière (CAM)

Contexte L'objet des travaux de recherche porte sur l'étude et la modélisation des efforts de coupe des matériaux métalliques ou non métalliques (bois, composites, céramiques) pour diverses opérations d’usinage (fraisage, tournage, perçage et taraudage). La connaissance de ces efforts, ainsi que de leurs évolutions temporelles, sont autant de signatures utiles à l'optimisation et au suivi de la technique de coupe envisagée. La prédiction de l'évolution temporelle des efforts de coupe peut permettre de : - Optimiser la géométrie des outils de coupe lors de leur conception ; - Adapter les conditions de coupe et la machine à l'opération d'usinage envisagée ; ceci dans le but de minimiser le niveau d'effort ou de le stabiliser, et ainsi éviter les pics d'efforts importants néfastes à la tenue de l'outil, des éléments de bridage et aux capacités de la machine ; - Favoriser l'optimisation des trajectoires d'outils au sein des logiciels FAO ; - Servir de point d’entrée pour le développement des travaux sur l’impact des procédés d’élaboration sur l’état de surface des pièces usinées. Cette étude scientifique vise donc à améliorer la procédure de qualification d'un outil pour l'usinage d'un matériau donné, en considérant comme point de départ la géométrie locale de l'arête coupante, et en "remontant" ensuite à la géométrie globale de l'outil ou de la famille d'outil considérée. Cette méthode présente l'avantage de pouvoir être adaptée à toutes les formes d'outils quelle que soit la technique de coupe utilisée. Elle permettra à terme de calculer les déformations macroscopiques des pièces usinées dites souples (déformables) sous l'action du chargement induit par l'outil de coupe au travers des logiciels de calcul par éléments finis (forte demande actuelle), ainsi que d’estimer, avec des travaux complémentaires, l’état microstructural et l’état de réactivité de la surface du matériau, élément important de la durabilité des pièces élaborées. L’objectif de ce projet à plus long terme est de réaliser un démonstrateur qui doit permettre d'obtenir la forme temporelle des efforts en usinage quels que soient les matériaux usinés, l’opération envisagée et la stratégie employée. Ces modèles pourront être implémentés dans les codes numériques afin de simuler les états de surface générés (modélisation « dynamique ») ou de modéliser ultérieurement les contraintes thermomécaniques (grâce à la connaissance du bilan mécanique). Objectif de la thèse Les travaux de recherche doivent permettre de développer des relations de coupe pour chaque famille de matière et de trouver des lois de passage au sein d'une même famille de matériau en fonction de ses paramètres thermophysiques. Ces relations seront adaptées au type d'opération (ébauche, ½ finition et finition) et généralisables à l'ensemble des techniques. L'identification inverse des coefficients et des exposants des relations de coupe fait partie intégrale de cette étude. Les études antérieures à ce projet ont permis de montrer l’influence de l’angle de coupe et de l’angle d’hélice sur les efforts. Les verrous scientifiques actuels concernent : - D’une part, la face de dépouille qui voit la surface usinée en dernier lieu et qui conditionne donc l'atteinte à l'intégrité de la surface finie en termes de contraintes résiduelles, de modifications métallurgiques, et d’écrouissage… Les actions mécaniques situées à cette interface sont très souvent oubliées dans les modélisations ; - D’autre part, l'effet des arêtes frontales qui n'a pas encore été étudié, alors que de nouvelles stratégies de coupe (tréflage notamment) se vulgarisent et utilisent uniquement ces arêtes. Déroulement de la thèse Le projet s’articule autour de trois phases principales : - PHASE 1 : La première phase a pour objectif l’identification et le choix d’une ou plusieurs relations de coupe locales. Cette première phase s’appuiera sur une recherche bibliographique ainsi qu’une synthèse des outils de simulation existants. Le résultat de cette première phase sera l’expression de relations de type phénoménologique ou mécanique ou mixte permettant d’évaluer les efforts de coupe appliqués à un segment d’arête. Le type de relations recherchées devra prendre en compte le type d’opération effectuée (ébauche/finition). L’influence de la face de dépouille sur le bilan énergétique et l’aspect tribologique aux interfaces outil/copeau et outil/pièce seront pris en compte. - PHASE 2 : Dans un second temps, un protocole expérimental sera élaboré et permettra d’aboutir à l’identification de ces relations locales. Il sera appliqué pour les familles de matériaux choisies, des géométries d’outils et des conditions de coupe variables. Ce protocole devrait aboutir à l’expression de relations de coupe locales indépendamment de la technique étudiée par la suite. Par ailleurs, pour une relation locale donnée, il s’agira d’identifier les relations de passage d’un matériau à un autre au sein d’une même famille de matière. - PHASE 3 : La troisième phase consistera dans ce développement d’un module d’intégration des efforts de coupe pour une technique, une géométrie d’outil et des conditions de coupe données. Le but de cette étape est de représenter l’évolution temporelle des efforts de coupe au cours de l’opération ainsi que l’évolution des puissances, couples… consommées. Les paramètres d’entrée de ce module seront constitués de la définition du type de matériau usiné/usinant, des paramètres de coupe opératoires, de la géométrie de l’outil. La simulation des efforts, puissance… pour ces conditions données reposera sur l’intégration d’une relation de coupe locale préalablement obtenue à l’issue des phases 1 & 2. Directeur de thèse Gérard POULACHON (Arts et Métiers ParisTech Cluny)

Contact CEA/DAM/Valduc Stéphanie BRETON ou Jean-Yves CORDIER 03 80 23 40 00




Sujet Etude des propriétés physiques en température et pression d’alliages de plutonium stabilisés en phase delta

Contexte Du fait de sa position charnière au sein de la série des actinides, associée au remplissage progressif de la couche électronique 5f, le plutonium est sans conteste le métal le plus complexe de la classification périodique au regard de ses nombreuses singularités. Pour des applications métallurgiques, la phase cubique (cfc) delta à haute température du Pu pur est stabilisée à température ambiante par ajout d’éléments d’addition dits deltagènes (Al, Ga, Am, Ce,...). Les mécanismes de stabilisation associés, particulièrement complexes du fait du bouleversement de la structure électronique du plutonium en fonction du soluté, révèlent des propriétés physiques et métallurgiques singulières telles que l’observation, en fonction de la température, d’une dilatation suivie d’une contraction de l’allongement relatif de tels alliages stabilisés en phase delta à basse teneur en soluté, phénomène qui disparaît graduellement en fonction de la composition. Les différents modèles phénoménologiques pour interpréter cette anomalie, font état, pour la plupart, d’une modification continue de la structure électronique, c’est-à-dire une délocalisation progressive des électrons 5f lors de l’élévation de la température conduisant à la contraction de la maille cristalline. Un modèle plus récent, appelé Invar, en relation avec les propriétés de très faible dilatation thermique des alliages fer-nickel, a permis de décrire ce phénomène en introduisant la co-existence de deux états en compétition dont le rapport évolue avec la température. Une étude bibliographique montre à l’évidence des lacunes concernant l’étude de l’influence de la pression et plus encore celui du couplage température-pression sur les propriétés physiques des alliages de plutonium.

Objectif de la thèse Cette thèse a pour objectif de caractériser finement la structure cristalline de différents alliages de plutonium stabilisés en phase delta (PuGa, PuAl ou PuAm) sous pression et/ou température à l’aide de moyens expérimentaux disponibles en laboratoire (Diffraction des Rayons X (DRX), mesures ultrasonores, dilatométrie) ou sur rayonnement synchrotron (DRX, EXAFS). Un modèle physique devra alors être développé afin de décrire les propriétés physiques déterminées expérimentalement.


Le candidat réalisera dans un premier temps des expériences de DRX en pression et en température (en mettant en oeuvre des Cellules à Enclumes de Diamant (CED) chauffantes) sur différents alliages de plutonium. Ces mesures pourront être réalisées sur des installations complémentaires en terme de cinétique de mesure : les unes disponibles en laboratoire et d’autres sur la ligne de lumière MARS du synchrotron SOLEIL. Différents chemins thermodynamiques pourront être suivis afin d’évaluer leur influence sur les propriétés des alliages. L’analyse de ces expériences permettra alors de définir le diagramme de phase (en se focalisant sur le domaine d’existence de la phase delta) en pression et en température des différents alliages et une première modélisation de l’équation d’état de la phase delta pourra ensuite être proposée.

Dans un second temps des expériences complémentaires pourront être réalisées afin d’affiner la description des propriétés physiques des alliages (et mieux comprendre les mécanismes de stabilisation de la phase delta) et de prendre en compte l’effet de la ségrégation du soluté à l’échelle du grain. Ainsi des mesures d’EXAFS sous pression et température pourront être réalisées sur la ligne MARS pour sonder l’environnement local des atomes de soluté et étudier les phénomènes de diffusion du soluté. Des mesures de dilatation en température ou de vitesse du son en pression et en température pourront être effectuées pour conforter la description à l’échelle « macroscopique ».

Enfin, l’ensemble de ces résultats expérimentaux ainsi que la description phénoménologique associée pourront être confrontés à des calculs ab initio réalisés en collaboration avec un laboratoire du CEA DAM Ile de France, ce qui complètera l’étude du comportement en pression et en température des alliages de plutonium stabilisés en phase delta.

Directeur de thèse Bernard MALAMAN (Laboratoire de Chimie du Solide Minéral, Université Henri Poincaré – Nancy 1)

Contact CEA/DAM/Valduc 03 80 23 40 00


Sujet Etude de la réduction électrochimique d'oxydes d'actinides en milieu sels fondus

Contexte La métallurgie en sels fondus est appliquée aux éléments dont les oxydes sont très stables et difficiles à réduire (Be, Nb, Ti, Zr, Hf, V), et au raffinage des métaux. Dans le cadre de ses activités de recyclage des matières nucléaires, le CEA Valduc met en œuvre des procédés permettant la conversion d’oxydes d’actinides en métal, par l’intermédiaire de réactions de fluoration et de calciothermie. Mais ces procédés génèrent des déchets délicats à traiter.

Objectif de la thèse Le sujet proposé par le laboratoire fait suite à un premier travail de thèse et a pour but d'étudier la conversion oxyde/métal par un procédé électrolytique original largement décrit dans la bibliographie depuis la fin des années 90. En effet de nombreux résultats on été acquis aussi bien dans le domaine de la métallurgie classique (titane, silicium, niobium, chrome…) que dans le milieu nucléaire pour l’uranium et le MOx dans le cycle du combustible aux Etats-Unis, au Japon et en Corée. Le principe consiste, par électrolyse dans un sel fondu à haute température (LiCl, CaCl2), à réduire à la cathode l’oxyde en métal. Les ions O2- issus de cette réduction sont transformés à l’anode en oxygène:

À la cathode : 2Ca2+ + 4 e- → 2 Ca 2 Ca + MO2 → 2CaO + M

MO2 + 2 e- → M + O2-

À l'anode : 2O2- → O2(g) + 4 e-

Déroulement de la thèse Les principales difficultés à surmonter pour mettre en œuvre ce procédé seront analysées au cours de la thèse à travers l’étude d’éléments (M : cérium, argent, plomb) pouvant simuler les actinides:

- la compréhension du mécanisme de réduction, le rôle du réducteur (Li ou Ca métal) obtenu par l’électrolyse du solvant, et la détermination des éventuelles espèces intermédiaires entre l’oxyde et le métal, - une maîtrise de la réaction anodique. Le dégagement d’oxygène gazeux à haute température pose un sérieux problème en termes de résistance du matériau d’anode à la corrosion (attaque chimique ou électrochimique). Différents matériaux d’anodes devront être testés (métaux nobles, carbone vitreux, oxyde d’étain), - la conception d’un réacteur électrochimique permettant une réduction efficace de l’oxyde en métal. Une bonne gestion des contacts réducteur/oxyde et cathode/oxyde peu conducteur est nécessaire pour optimiser le rendement de la réaction. Ceci nécessite une bonne connaissance de mécanisme réactionnel mais aussi une forme de cathode favorisant à la fois la réduction de l’oxyde et la coalescence du métal. De plus, le développement d’un design d’anode permettant une évacuation efficace des gaz oxydants en dehors de la cellule est indispensable au bon fonctionnement de l’électrolyse. L’influence des paramètres opératoires (densité de courant, agitation, surface des électrodes...) sur les performances de l'électrolyse devra être également évaluée. La thèse couvrira d’une part les études scientifiques de base nécessaires à la maîtrise du procédé et d’autre part la conception et réalisation d’un prototype de réacteur électrochimique. Le travail de thèse doit conduire à la détermination des paramètres opératoires optimaux pour réaliser des tests réels sur les actinides.

Le candidat recherché possédera des connaissances en chimie, électrochimie, thermodynamique et métallurgie. Directeur de thèse Responsable CEA Jérome SERP Contact : CEA/DAM/Valduc 03 80 23 40 00




Sujet Etude de la fissuration à chaud lors du soudage hétérogène des métaux tantale et TA6V par laser impulsionnel

Contexte Le laboratoire Soudage est en charge de l’assemblage de matériaux hétérogène, tel que le tantale et le TA6V (titane 90%, aluminium 6%, vanadium 3%). Cet assemblage est réalisé par soudage laser impulsionnel : dans la zone de jonction entre les pièces métalliques, on réalise une succession d’impacts du faisceau. Chaque impact produit une fusion localisée de la matière qui assure la liaison soudée.

Les différences de propriétés thermophysiques des deux métaux (tableau 1) dissymétrisent le procédé. Afin de parvenir à réaliser l’assemblage, on décale le faisceau sur le métal le plus conducteur et qui présente le point de fusion le plus élevé : le tantale. Les zones fondues obtenues présentent des compositions et microstructures inhomogénes, ce qui se traduit par l’observation de volutes. On cherche à maîtriser l’influence de ces variations locales de composition sur le comportement mécanique des soudures. En particulier, les sauts et/ou gradients de propriétés mécaniques (module d’Young, dureté) et physiques (coefficient de dilatation) peuvent générer des contraintes internes, voir même, dans de rares cas, l’apparition de fissures.

Objectif de la thèse L’objectif de cette thèse est de quantifier les contraintes interfaciales entre les différents composés formés, et d’évaluer les risques de fissuration à chaud le cas échéant. Cette quantification de l’endommagement local sera à terme intégrée au modèle de comportement global.

Déroulement de la thèse A ce jour, aucun code de calcul ne permet de représenter successivement le creusement complet du capillaire de soudage, son remplissage et la solidification du métal liquide, même pour un soudage homogène. Dans le cas du soudage hétérogène, la problématique est particulièrement complexe : en effet, la géométrie du bain est tridimensionnelle, et l’écoulement est bi-phasique. Une étude prédictive du lien entre les paramètres du soudage et l’endommagement local n’est donc pas envisageable à ce jour. La stratégie adoptée consiste donc à définir une répartition hypothétique des éléments après remplissage du capillaire, à l'état liquide, et à étudier les effets d’interaction entre les différentes zones par un calcul thermomécanique. Les principaux éléments d'un tel calcul sont les suivants :

- La connaissance du chemin de solidification (position des dernières fractions liquides), à l’échelle de la zone fondue. - La connaissance des propriétés thermophysiques du TA6V et du tantale à l’état liquide et lors du changement de

phase liquide - solide. - La connaissance du comportement du TA6V et du tantale à très haute température (jusqu'au voisinage du point de

fusion). Ceci nécessite des essais instrumentés (type Gleeble par exemple). - Le développement de modèles de comportement en fonction de la teneur locale en éléments permettant de simuler

les phases de solidification et de refroidissement par un calcul thermomécanique (calcul éléments finis). - La prise en compte de critères de fissuration à chaud. - La confrontation entre la prédiction des fissures obtenue par le calcul et par l’expérience.

Directeur de thèse Michel BELLET (CEMEF) / D. GREVEY (IUT le Creusot)

Contact CEA/DAM/Valduc

C. TOUVREY et C. COSSU 03 80 23 40 00


Sujet Corrélation propriétés-microstructure des matériaux énergétiques comprimés

Contexte Afin d’obtenir une densité maximale d’énergie chimique, certains matériaux énergétiques contiennent une proportion très élevée de cristaux explosifs. Ces derniers doivent alors être enrobés de liant, et la mise en œuvre est faite par compression isostatique à chaud. Les matériaux résultants, qualifiés de « comprimés, présentent un comportement thermomécanique dit « quasi-fragile », analogue à celui de bétons ou de roches tendres. Il est possible de caractériser ce comportement au plan macroscopique, mais les mécanismes de déformation et éventuellement d’initiation sous-jacents restent mal connus. En particulier, la relation entre comportement macroscopique, microstructure et micro mécanismes de déformation restent en grande partie à élucider.

Objectif de la thèse On propose ici d’étudier un matériau de microstructure relativement simple, à base de TATB, en se focalisant sur le comportement à triaxialité modérée. Sachant que le cristal de TATB est extrêmement ductile, on suspecte un mécanisme d’endommagement par microfissuration inter granulaire. Il s’agit en premier lieu d’élucider le rôle du liant, après avoir établi sa répartition morphologique. Compte tenu de la très forte anisotropie du cristal de TATB, il est vraisemblable que les incompatibilités de déformation inter cristalline joue un rôle important sur le processus de décohésion. Pour étudier ce phénomène, plusieurs techniques sont envisageables : essais sous microscope optique ou sous micro tomographe, essais sous MEB avec EBSD, micro diffraction X à haute résolution, etc. Etant donné la très grande influence de la triaxialité des contraintes sur le comportement quasi-fragile, l’étude cherchera, autant que possible, à réaliser des essais à triaxialité variable. Selon les résultats, on pourra ensuite construire un modèle cohésif d’interface, ou un modèle macroscopique d’endommagement à bases physiques par homogénéisation, ou encore étudier le processus de localisation de la déformation conduisant à la rupture par coalescence de microfissures.

Déroulement de la thèse On commencera la thèse par une étude expérimentale macroscopique permettant, sur la base d’essais standard, de mieux connaître le comportement mécanique du matériau. On réalisera parallèlement une étude, si possible quantitative, de la microstructure initiale, en microscopique optique. On mettra ensuite en oeuvre une démarche expérimentale destinée à établir la morphologie de répartition du liant (on pourra être amené pour cela à faire réaliser des matériaux paramétrés). On réalisera ensuite une étude, si possible conjointe expérimentale et numérique, visant à suivre l’évolution de la population de microfissures au cours de chargements quasi-statiques paramétrés par la triaxialité. On cherchera, dans cette phase de la thèse, à établir une corrélation entre les champs mécaniques locaux et les orientations cristallographiques locales. On envisagera, pour terminer ces travaux, des voies de modélisation multi-échelles possibles. Cette thèse serait effectuée en collaboration avec l’Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne. Des collaborations ponctuelles pourront également être envisagées avec le Centre des Matériaux de l’Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, le Laboratoire de Mécanique et Technologie de l’Ecole Normale Supérieure de Cachan, le Laboratoire de Métallurgie Physique de l’Université de Poitiers, le Centre d’Etudes de Gramat du CEA, et le synchrotron Soleil.

Directeurs de thèse Helmut KLOCKER (ENMSE) et Hervé TRUMEL (CEA Le Ripault)

Contact CEA/DAM/Le Ripault – Hervé TRUMEL 02 47 34 40 00



Sujet Elaboration par CVD et caractérisation de revêtements épais de SiC pour applications thermostructurales

Cette thèse se déroulera au sein du Laboratoire des Composites Thermostructuraux (LCTS) situé sur le campus universitaire de Bordeaux. Ce laboratoire est une Unité Mixte de Recherche dont les partenaires sont l’Université de Bordeaux 1, le CNRS, Safran et le CEA.

Contexte Le carbure de silicium est un matériau qui possède de nombreuses propriétés pertinentes pour des applications structurales à haute température: réfractarité, résistance à l’oxydation et au fluage, conductivité thermique élevée, tenue à l’irradiation… Il est couramment utilisé grâce à sa relative facilité de mise en œuvre sous différentes formes (céramiques monolithiques, revêtements, fibres, composites, …). La technique de CVD/CVI classiquement utilisée pour l’élaboration des composites céramiques (qui fait appel à des réacteurs à parois chaudes fonctionnant sous pression réduite) permet un excellent contrôle de la composition et de la structure du matériau. En revanche, les vitesses de dépôt sont relativement faibles (≈1 �m/h en CVD) et l’état de surface, déterminant pour les caractéristiques mécaniques à la rupture, est difficile à maîtriser, en particulier pour les dépôts épais. La CVD faisant appel à des réacteurs à parois froides (le substrat conducteur étant chauffé par effet joule ou par induction) permet d’atteindre des vitesses de dépôt beaucoup plus élevées (≈1 �m/s). En outre, les recherches conduites par Specialty Materials Inc. (ex-Textron) pour le développement des monofilaments SCS-Ultra, ont montré que la maîtrise de ce procédé permet d’aboutir à des caractéristiques mécaniques exceptionnelles (�R ≈ 6 GPa).

Objectif de la thèse Le CEA s’intéresse à ce type de revêtement, tant dans le cadre de l’industrie nucléaire civile (par ex. dans les gaines de combustible) que militaire. L’objectif de la thèse est d’aboutir à des dépôts SiC-CVD performants d’un point de vue mécanique (résistance à rupture et fluage à haute température) et thermique (diffusivité), sous des formes diverses (barreaux, tubes, plaquettes, mousses à porosité ouverte…), pour satisfaire à toutes les applications visées.

Déroulement de la thèse Dans une première phase, la démarche proposée consistera à étudier, au travers de la littérature et de la caractérisation des divers matériaux disponibles, le lien unissant les propriétés mécaniques et thermiques, les caractéristiques physico-chimiques, et, lorsque qu’elles sont disponibles, les conditions de synthèse. On s’intéressera en particulier aux monofilaments de SiC-CVD, qui font référence en matière d’optimisation du procédé et des propriétés mécaniques.

En parallèle, une tâche importante de la thèse consistera à concevoir un réacteur de CVD à parois froides permettant à la fois le contrôle précis des paramètres expérimentaux (composition du mélange précurseur, débits, écoulements gazeux, température) et la mise en oeuvre de dépôts sur des substrats de différentes géométries, chauffés soit pas effet Joule, soit par induction radiofréquence. Ce montage expérimental permettra l’élaboration d’une part des matériaux modèles (monofilaments, films) utilisés pour la caractérisation des propriétés intrinsèques (composition, structure, dureté/ténacité, rigidité, résistance au fluage, microdiffusivité thermique…) et d’autre part, des revêtements sur des substrats de plus grande dimension et de forme complexe, afin d’évaluer leur propriétés mécaniques « macroscopiques ».

Afin de mieux caractériser la cinétique de dépôt et les mécanismes de croissance associés, des dispositifs d’analyse in situ ou ex situ pourront ponctuellement être mis en place (par ex. mesure d’épaisseur/rugosité de surface, analyse de produits gazeux/condensés). Une modélisation 2D du réacteur pourra être entreprise pour meilleure compréhension et maîtrise du procédé. Enfin, on établira des corrélations entre les paramètres du procédé, les conditions locales de CVD, la composition et la microstructure des dépôts et leurs propriétés physiques à différentes échelles.

Directeur de thèse S JACQUES et G CHOLLON (LCTS)

Contact CEA/DAM/Le Ripault Patrick DAVID 02 47 34 40 00



Sujet Micro-correction mécanique d'une surface d'onde par laser

Contexte Le laser MégaJoule est un outil important du Programme Simulation du CEA. Ce laser nécessite un nombre élevé de composants optiques. Ces grands composants ont des spécifications optiques sévères en termes de surface d'onde. Le CEA Le Ripault possède des compétences reconnues dans l'élaboration de matériaux en couches minces par voie sol-gel et par voie PVD, et en caractérisation des matériaux par voie optique. Outre ses moyens de dépôt, il dispose d'installations lasers Yag ou Excimère qui lui permettent de faire de l'usinage ou un recuit laser. Les spécifications en planéité des miroirs de transport ou du miroir adaptatif du LMJ étant sévères, ce qui peut induire des coûts de fabrication importants, nous nous proposons d'étudier un nouveau procédé de traitement correctif. Celui-ci devrait à terme permettre de corriger un composant hors des spécifications grâce à un usinage/recuit de la surface opposée du miroir qui changerait les contraintes internes modifiant ainsi la surface réfléchissante du composant optique. Des premiers essais ont été réalisés; ils ont validé le principe qui a été breveté récemment. Objectif de la thèse Cette thèse a pour objectif la mise en place d'un tel procédé de traitement qui permette, à partir d'une cartographie de la surface d'onde du composant, de corriger les principaux défauts de cette surface.

Surface d'onde initiale avant usinage

Rainure d'usinage réalisée face arrière

Surface d'onde après usinage

Déroulement de la thèse Cette thèse aura trois composantes : une composante métrologie de la surface d'onde, une partie d'interaction laser matière, une partie modélisation mécanique (théorie, code et détermination des paramètres nécessaires). Cette dernière sera à la base du procédé de correction. Une étude initiale de la bibliographie fixera le choix du laser, celui de la longueur d'onde en fonction des matériaux à retenir pour le LMJ, ainsi que le choix de la méthode interférométrique à retenir. Le thésard se familiarisera alors avec ces différents moyens en réalisant une étude paramétrique : détermination des seuils et des ablations réalisées, influence sur les déformées occasionnées par des usinages lasers 1D de longueur, largeur, profondeur et position variables, puis par des usinages 2D. Ces études seront réalisées avec les moyens disponibles dans le service (laser, microscope, profilomètre, polariscope …) ou utiliseront d'autres moyens disponibles au Ripault ou au CEA. Ces études expérimentales serviront à valider les approches de mécanique qui seront développées en parallèle et qu'il emploiera lors des étapes finales de correction. Dans une seconde partie, le doctorant mettra au point à partir de la cartographie initiale de surface d'onde, le pilotage de l'installation laser (fluence, nombre de tirs nécessaire, position de l'impact laser) afin de réaliser les corrections voulues.

Partant de l'expérience et des moyens du CEA Le Ripault, le candidat gèrera, avec son responsable, ce thème de recherche en profitant également des moyens disponibles au CESTA. Il travaillera également avec des mécaniciens ayant une forte expérience des contraintes dans les matériaux. Il devra rendre compte de l'avancée de ses travaux et des difficultés rencontrées devant les responsables hiérarchiques et projet et devra communiquer les résultats pertinents obtenus, lors de congrès, dans des revues spécialisées à comité de lecture et finalement écrire des brevets le cas échéant.

Directeur de thèse Gilles DAMAMME (CEA/DAM/DS)

Contact CEA/DAM/Le Ripault Ph. SIMONETTI 02 47 34 47 37


thèses proposées au cea / dam · sujets de thèse 2010 cea dam 2 / 104 chaque année, le cea-dam...

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