Stage - développement d'un jumeau numérique d'une expérience de chauffage laser

Vous serez accueilli·e au sein del’IRESNE, institut de la DES, où vous intégrerez l’équipe du laboratoire et participerez pleinement à ses activités.

Ce stage s'inscrit dans un projet du CEA visant à déterminer les propriétés thermodynamiques des combustibles oxydes mixtes d’uranium et de plutonium (U, Pu)O2±x, en particulier à l’aide d’expériences de chauffage laser à haute température (T>3000 K). Ces expériences permettent notamment d’étudier la transition solide/liquide du combustible nucléaire avec la mesure du solidus et du liquidus, deux propriétés d’intérêt majeur pour la conception d’un combustible assurant le respect des critères de sûreté concernant la marge à la fusion.

La complexité de réalisation de ces expériences en réacteur/sous irradiation motive les équipes du CEA à développer un jumeau numérique capable de simuler le comportement du combustible dans les conditions extrêmes de température et de composition induites par le chauffage laser. Cette maquette doit prendre en compte les mécanismes prépondérants de diffusion de chaleur, de diffusion de masse et de changement de phase solide/liquide, tout en intégrant les modifications des équilibres chimiques locaux.


Les travaux réalisés au cours du stage contribueront au développement dece jumeau numérique. Plus particulièrement, il s’agira de simuler numériquement une expérience de chauffage laser réalisé sur un combustible oxyde mixte d’uranium et de plutonium vierge. Pour cela, l’étudiant utilisera le code aux éléments finis SLOTH, dédié aux simulations par champ de phase de l’évolution physico-chimique des matériaux.

Après une prise en main de l’environnement logiciel et une revue bibliographique ciblée, une démarche à complexité croissante sera suivie pour atteindre les objectifs du stage:

* la première étape du travail consistera à reproduireune simulation de chauffage laser proposée dans la littérature pour un combustible UO2.
* la seconde étape consistera à étendre cette simulation au cas d’un combustible (U, Pu)O2.
* la dernière étape consistera à valider les simulations numériques en comparant les prédictions à des résultats expérimentaux disponibles au CEA. Cette comparaison pourra également contribuer à l’optimisation du modèle numérique.


En contribuant au développement d’un outil de calcul, l’étudiant pourra acquérir une gamme variée de compétences, en travaillant sur les points suivants:

* Modélisation physique : les phénomènes couplés étudiés sont le transfert de masse et de chaleur, le changement de phase solide/liquide et les équilibres chimiques locaux.
* Développement numérique : les équations seront implantées dans le code aux éléments finis SLOTH, dédié aux simulations par champ de phase de l’évolution physico-chimique des matériaux.
* Validation et applications : Confronter les prédictions du modèle aux données expérimentales et à autres modèle disponibles dans le code.