Thèses proposées au CEA / DAM

 Thèses proposées
au 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 Faire une thèse à la DAM
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 Île de France en région parisienne près d'Arpajon, le Ripault près de
Tours, le CESTA près de Bordeaux, le centre de GRAMAT proche de Toulouse et Valduc à proximité de Dijon) ou
dans les unités mixtes de recherche dont le CEA-DAM est une tutelle (LULI, CELIA, LCTS, LEMA, etc.).
Les sujets proposés en 2011 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, sciences des matériaux, métallurgie, chimie, etc.
Ce fascicule présente une sélection de sujets proposés pour 2011. Un contact téléphonique est indiqué pour
chaque sujet, ainsi que la localisation de la thèse.
Thierry MASSARD
Directeur scientifique du CEA/DAM 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.
décembre 2010 Crédits photo : CEA 2 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Les thématiques
A
Attm
moosspphhèèrree eett ggééoopphhyyssiiqquuee
C
Chhiim
miiee
EElleeccttrroom
maaggnnééttiissm
mee
EElleeccttrroonniiqquuee
EEnnvviirroonnnneem
meenntt
EExxppéérriim
meennttaattiioonn
meennttaattiioonnss eett iinnssttrruum
IInnffoorrm
muullaattiioonn nnuum
maattiiqquuee sscciieennttiiffiiqquuee,, ssiim
méérriiqquuee,, m
mooddéélliissaattiioonn
O
maass
Oppttiiqquuee,, LLaasseerrss eett ppllaassm
PPhhyyssiiqquuee ddee llaa m
maattiièèrree ccoonnddeennssééee
PPhhyyssiiqquuee nnuuccllééaaiirree
S
maattéérriiaauuxx
Scciieenncceess ddeess m
M
Mééccaanniiqquuee
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
3 / 84
Liste des sujets par domaine
Atmosphère et Géophysique
7
Influence de la turbulence atmosphérique sur la propagation des ondes infrasonores à grande distance
8
Chimie
9
Détecteurs diamant électrochimiquement assistés pour la mesure directe de traces d'actinides en solution
10
Développement d'une LIBS (Laser Induced Breakdown Spectrometry) pour l'analyse en ligne de produits 11
plutonifères solides ou liquides
Développement de revêtements optiques auto-réparants
12
Electromagnétisme
13
Etude d'un nouveau concept d'arme électromagnétique de défense basée sur la focalisation spatiotemporelle 14
d'une onde obtenue par application du principe de retournement temporel
Etude et développement d'un concept de caractérisation rapide d'antennes basé sur le principe du retournement 15
temporel du champ électromagnétique en chambre réverbérante
Applicateur antennaire destiné aux études d'effets biologiques des ondes électromagnétiques subnano secondes
16
Méthodes statistiques pour le calcul des interférences électromagnétiques au sein de systèmes complexes
17
Etude d’antennes planaires de faibles dimensions à gain important et maximisé
18
Etude et développement d'un banc de caractérisation basse fréquence (300 MHz - 3 GHz) de cloisons
19
Conditions de transmission optimisées pour une méthode de décomposition de domaines appliquée à la résolution 20
des équations de Maxwell
21
Electronique
Etude des effets de microdose induits par des protons ou des neutrons dans les isolants des technologies 22
microélectroniques avancées
Caractérisation des grandeurs relatives à la susceptibilité électromagnétique des étages d'entrée de composants 23
électroniques
Etude de la production, de la propagation et de la focalisation d'un faisceau d'électrons impulsionnel intense
24
Etude des effets de synergie Dose-SEE et Dose-TREE dans les circuits intégrés analogiques soumis à une 25
agression de type fort débit de dose
27
Environnement
Evaluation microscopique des interactions entre le plutonium et les substances humiques présentes dans 28
l’environnement
29
Expérimentation et Instrumentation
Développement d'optiques X multicouches pour la spectrométrie large bande dans le domaine spectral 30 eV - 20 30
keV
4 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Liste des sujets par domaine
Etude de nuages de particules induits par choc : histogramme de vitesses, de masse surfacique, et de tailles de 31
particules
Etude des mécanismes de décomposition de matériaux énergétiques par spectroscopie résolue en temps
32
Micro-correction mécanique d'une surface d'onde par laser d'un matériau à fonctionnalité optique
33
Intégration de la localisation gamma et neutrons à la mesure de rétention en boîte à gants
34
Informatique, Simulation, modélisation
35
Développement d’une méthode de couplage fluide structures. Intégration d’une méthode AMR
36
Méthodes numériques pour la Fusion par Confinement Inertiel en coordonnées polaires
37
Multi-représentations de maillages cellulaires et détermination automatique de la meilleure représentation pour un 39
algorithme donné
Etude des interactions entre plusieurs ordonnanceurs sous contraintes différentes : application à 41
l'ordonnancement d'un système informatique de grande puissance
Étude et développement d’un cache distribué hiérarchique
42
Analyse du comportement de fluides en interaction : application à la projection plasma de nanomatériaux
43
Optique, lasers et plasmas
45
Interaction laser-plasma et effets cinétiques ioniques dans les plasmas de fusion par confinement inertiel par laser 46
Etude expérimentale du stade fortement non linéaire de l'instabilité Rayleigh-Taylor au front d'ablation en fusion 47
par confinement inertiel
Optique ultra-rapide et génération de sources THz
48
Interaction ondes-particules en régime non linéaire et dans un plasma magnétisé
49
Effets collectifs et collisionnels dans le transport de courants intenses d’électrons produits par laser dans une cible 50
dense
Interaction de faisceaux laser nanosecondes sur des surfaces métalliques : mécanismes de formation de 51
nanoparticules
Etude expérimentale du transport d'électrons rapides dans les plasmas denses
52
Développements de nouveaux moyens de caractérisation de grandes optiques dans l’UV. Modélisation de la 53
propagation d’un faisceau laser de puissance perturbé par ces optiques
Etude et validation d’un modèle aux moments pour le transport de particules dans des milieux fortement 54
hétérogènes
Etude du chauffage de la matière par faisceaux d'électrons ou d'ions énergétiques : modélisation et applications
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
55
5 / 84
Liste des sujets par domaine
57
Physique de la matière condensée
Etude à l'échelle atomique de l'effet du déplacement atomique induit par des irradiations aux ions lourds dans la 58
dégradation des propriétés des composants électroniques
Etude des propriétés physico-chimiques de matériaux énergétiques par simulation moléculaire
59
Nouvelles approches résolues en temps pour mesurer le diagramme de phase du fer en conditions extrêmes
60
Détermination théorique et expérimentale de la courbe de fusion des métaux de transition
61
Etude des premiers stades de l'oxydation des surfaces d'actinides : rôle des corrélations électroniques
62
Elaboration d'équations d'état des produits de détonation d'explosifs secondaires pour des forts taux d'expansion
63
Amorçage de la détonation des explosifs fortement hétérogènes : cas d'explosifs homogènes en présence de 64
particules non réactives. Simulations par calculs hautes performances
65
Physique nucléaire
Contribution à la mise en place, à la réalisation et à l'analyse des données de rendement de fission issues de 66
l'expérience SOFIA au GSI
Description du noyau et de ses états excités, synthèse d'approches au-delà du champ moyen
67
Etude expérimentale du spectre en énergie des neutrons prompts émis dans la fission nucléaire
68
Vers un traitement unifié des corrélations nucléaires de longue portée
69
Science des matériaux
71
Elaboration de dépôts par projection plasma de métaux, alliages métalliques et cermets à propriétés électriques et 72
optiques contrôlées
Elaboration de matériaux ultra-réfractaires pour la protection de composites à haute température
73
Etude des mécanismes de fissuration à chaud lors du soudage hétérogène Tantale - TA6V par laser ND : YAG 74
impulsionnel
Formulation et mise en œuvre d'adhésifs époxydiques pour la réalisation d'assemblages structuraux destinés aux 76
expériences d'interaction laser matière
Etude structurale et microstructurale de la transformation martensitique à basse température des alliages de 77
plutonium
79
Mécanique
Modélisation de la rupture de structures en béton armé par une approche éléments discrets
80
Analyse de couches de mélange turbulentes issues des instabilités de Rayleigh-Taylor dans une configuration 81
stratifiée
Etude de la stabilité des structures sous chargement impulsionnel
82
Etude expérimentale et théorique de l’initiation et de la croissance de l’endommagement laser à la surface de 83
composants optiques en silice par plusieurs longueurs d’onde simultanément
6 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 ILE DE FRANCE
VALDUC
Le RIPAULT
CESTA
GRAMAT
Atmosphère
et
Géophysique
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
7 / 84
Atmosphère et géophysique
Sujet Influence de la turbulence atmosphérique sur la propagation des ondes infrasonores à grande
distance
Contexte Dans le contexte du TICE (traité d’interdiction complète des essais nucléaires), le Système de
Surveillance International développe un réseau de stations micro-barométriques mesurant les ondes infrasonores.
Ces ondes acoustiques très basses fréquences (0.05 à 10 Hz) sont émises par des sources variées (explosions,
volcans, météorites, ...) et peuvent se propager sur des milliers de kilomètres.
Objectif de la thèse La propagation des ondes infrasonores est fortement influencée par les conditions
atmosphériques à l'échelle globale mais également par les petites structures de l'atmosphère.
Ces hétérogénéités génèrent une forte variabilité des caractéristiques géométriques et du niveau de pression des
arrivées mesurées aux stations barométriques. Les performances de détection et de caractérisation de la source
sont ainsi fortement impactées.
L'objectif de la thèse consiste à modéliser et à caractériser l'influence de la turbulence atmosphérique sur la
propagation des ondes infrasonores.
Déroulement de la thèse Le sujet proposé consiste, d'abord, à développer des modèles probabilistes des petites
échelles de l'atmosphère basés sur les modèles d'ondes de gravité de la littérature.
La dispersion « scattering » des ondes infrasonores par ces hétérogénéités, qui s'apparente à de la turbulence
hétérogène et anisotrope, sera ensuite introduit dans des modèles de propagation.
Les méthodes de tracé de rayons et de l'approximation parabolique seront adaptées et développées afin de prendre
en compte ce phénomène, en plus de ceux dus aux effets non-linéaires, de l'absorption atmosphérique et de la
météorologie grande échelle.
Enfin, l'influence des petites échelles de l'atmosphère sur l'azimut, le temps d'arrivée et la vitesse apparente des
ondes infrasonores, ainsi que sur le niveau de pression et la signature acoustique, sera étudiée notamment en
comparaison avec des mesures réalisées au CEA/DAM/DIF.
Directeur de thèse Philippe Blanc-Benon, Laboratoire de Mécanique des Fluides et d’Acoustique, UMR
CNRS 5509, Ecole Centrale de Lyon
Contact Olaf Gainville CEA/DAM/DIF F-91297 Arpajon, tel : 01 69 26 40 00
8 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 ILE DE FRANCE
VALDUC
Le RIPAULT
CESTA
GRAMAT
Chimie
analytique
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
9 / 84
Chimie analytique et radiochimie
Sujet : Détecteurs diamant électrochimiquement assistés pour la mesure directe de traces d’actinides en solution
Contexte Les activités de recyclage et de traitement des effluents contaminés par des radionucléides émetteurs
alpha nécessitent la détermination de leur activité au cours des procédés de traitement. Ces analyses impliquent de
nombreux prélèvements, des transports d’échantillons et beaucoup d’opérations manuelles pour les caractériser.
D’autre part, les analyses de très faibles teneurs (quelques Bq/m3 d’effluents) induisent beaucoup de préparations
chimiques et des délais de rendus de résultats pouvant atteindre 4 à 5 jours. Afin de réduire ces délais, d’augmenter
la sensibilité des moyens de mesures, de réduire l’exposition des opérateurs effectuant les analyses et d’augmenter
la productivité, le développement d’un nouveau moyen de mesure in situ est indispensable. Un détecteur de
rayonnement alpha innovant permettant de répondre au besoin a été défini en 2010.
Objectif de la thèse Ce travail de thèse sera mené en collaboration avec la DRT/Saclay et concerne le
développement d’une nouvelle génération de détecteurs immergés électro assistés capables de mesurer les ions
des actinides à l’état de traces sans aucune préparation d’échantillons. Les applications directes sont la mesure
d’environnement, d’effluents actifs, effluents actifs procédés, effluents très haute activité.
Déroulement de la thèse Le programme d’études pourra être décomposé comme suit :
1)
Etude bibliographique
Recherche des données disponibles sur les méthodes d'électroprécipitation, phénomènes électrochimiques.
Recherche sur les phénomènes d'interactions rayonnements matière et exploitation de spectres alpha.
Compilation des données, analyse critique et détermination de la méthode à appliquer.
2)
Etude des conditions de fonctionnement :
radiochimie avec la définition, l’optimisation et la validation des conditions de précipitation électro assisté
d’actinides sur du diamant,
étude des phénomènes et des processus de destruction de surfactants présents dans les solutions avec
optimisation des conditions d’électro précipitation (PH, potentiel redox…).
3)
Etude des méthodes de mesure à déployer
détection et quantification des rayonnements en réalisant l’optimisation de nouveaux détecteurs de particules
alpha (silicium, diamant,…) sans étalonnage expérimental et uniquement basé sur les données disponibles en
ligne, traitement innovant et spectrométrie des spectres pour la quantification des actinides en solution.
Validation de la méthodologie.
4)
Déploiement d’une tête de série sur site.
5)
Rédaction du mémoire et préparation à la soutenance (6 mois).
Directeur de thèse : J. E. Groetz Laboratoire de Chimie Physique et Rayonnement Université de Franche - Comté
(UMR CEA E4)
Responsable CEA : Nicolas SAUREL Centre de Valduc
Contact : CEA/DAM/Valduc : 03 80 23 40 00
10 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Chimie analytique
Sujet : Développement d’une LIBS (Laser Induced Breakdown Spectrometry) pour l’analyse en ligne de
produits plutonifères solides ou liquides
Contexte Les analyses consistant à déterminer les impuretés métalliques présentes dans le plutonium sont réalisées
de manière destructive par ICP/AES et ICP/MS. Ces analyses requièrent des échantillonnages effectués sur le
procédé d’élaboration, des transferts d’échantillons au laboratoire d’analyses et de nombreuses manipulations en
boites à gants pour réaliser les caractérisations. Les moyens mis en œuvre nécessitent beaucoup de main d’œuvre et
génèrent des déchets parfois sans filière de retraitement. Le développement de moyens d’analyses impliquant moins
de main d’œuvre, moins d’exposition du personnel aux rayonnements ionisants, plus rapides à mettre en œuvre et
réduisant les quantités de déchets générés est nécessaire. Ces moyens pourraient être déployés dans les futures
installations en cours de construction.
Objectif de la thèse
L’objectif de la thèse sera d’évaluer les performances de la technique LIBS pour des applications sur des matériaux
plutonifères. En effet, La LIBS est une technique d'analyse élémentaire rapide, quasi non destructive et directe sur les
solides, peu génératrice de déchets. Ses performances en analyse qualitative et semi quantitative ont été démontrées
dans la bibliographie mais les études menées sur matériaux froids dans certains laboratoires du CEA/Saclay doivent
être poursuivies et transposées sur matériaux nucléaires de façon à rendre cette technique réellement quantitative
pour les analyses d'impuretés dans l'uranium et le plutonium. En fonction des résultats obtenus, cette technique pourra
être intégrée aux moyens d'analyse du centre de Valduc. Ces études seront menées en collaboration avec le
CEA/SAC/DPC/SCP/LRSI de Saclay, laboratoire parmi les leaders mondiaux pour les études sur cette technique.
Déroulement de la thèse
Le programme d’études pourra être décomposé comme suit :
1)
2)
3)
4)
5)
Etude bibliographique
Evaluation de la technique sur des matériaux non radioactifs fantômes du Plutonium et de l’Uranium.
Etude de la nucléarisation de la technique pour l’adapter aux contraintes du travail en boites à gants.
Evaluation des performances sur uranium et plutonium
Rédaction du mémoire et préparation à la soutenance
Directeur de thèse :
codirection scientifique Paris / Dijon
CEA/Saclay ou Université parisienne / Université de Bourgogne/LRRS (Ecole Doctorale Carnot)
Responsable CEA : J C Hubinois (CEA Valduc) – J.-B. Sirven(CEA Saclay)
Contact : CEA/DAM/Valduc : 03 80 23 40 00
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
11 / 84
Chimie
Sujet
Développement de revêtements optiques auto-réparants
Contexte Le laser MégaJoule est un outil essentiel du Programme de Simulation du CEA (www-lmj.cea.fr). Ce
laser est constitué de plusieurs milliers de composants optiques de grande dimension. Ces hublots, ces lentilles, ces
lames, ces réseaux ont des spécifications optiques sévères et doivent résister à de fortes fluences laser (plusieurs
joules par centimètre carré). De plus, ces optiques sont pour la majorité revêtues de couches minces optiques afin
d’optimiser leurs performances en transmission notamment. Compte tenu de cet environnement sévère et de la
durée de vie spécifiée pour ces optiques, des études sont menées au CEA CESTA et au CEA Le Ripault afin de
définir les lois d’endommagement et de développer des procédés d’amélioration, voire de réparation, des
dommages générés par la forte énergie laser.
Endommagement d’un composant optique initié par une forte énergie laser.
Objectif de la thèse L’objectif de la thèse est d’étudier le développement de revêtements auto-réparants
par voie chimique (procédé sol-gel) qui permettraient de limiter l’endommagement en surface des optiques à
l’aide d’un film de qualité optique à effet cicatrisant. Plusieurs travaux de la littérature mentionnent
l’utilisation de revêtements de réparation de surface mais leur application et leur adaptation sur des optiques
à haute tenue au flux laser ne sont pas décrites à ce jour.
Déroulement de la thèse Le laboratoire Sol-Gel et Simulation du Département Matériaux du Ripault
développe depuis de nombreuses années des revêtements optiques pour les installations laser de
puissance du CEA (www.solgel.fr). Ces revêtements optiques sont réalisés par procédé sol-gel afin de
répondre en particulier aux exigences de tenue au flux laser. Cette thèse s’articule autour de trois volets de
formation : un volet de synthèse par procédé chimique sol-gel (chimie douce) qui aboutira à la mise au point
d’une formulation hybride organique-inorganique répondant au mieux, d’après l’étude de la bibliographie,
aux propriétés recherchées (transparence, indice de réfraction, propriétés mécaniques, tenue au flux
laser…). Ce travail de préparation d’une solution hybride s’appuiera sur les compétences de synthèse et de
caractérisation des solutions existantes au laboratoire dans ce domaine. Dans un second volet, l’étudiant
sera formé à la mise au point du procédé d’application de la solution hybride afin de réaliser des couches
minces optiques sur des composants laser. Il devra optimiser les conditions de dépôt, identifier les
paramètres influençant la formation d’un revêtement aux qualités optiques requises (homogénéité,
uniformité, transparence…). Ces développements seront réalisés avec les moyens disponibles dans le
laboratoire (spin-coating, dip-coating, spray, tape-casting…). Enfin, un troisième volet de la thèse consistera
à évaluer les propriétés des revêtements élaborés par voie sol-gel, comme les propriétés optiques (indice,
transmission), les propriétés physiques (épaisseur, tenue au flux laser, microstructure), les propriétés
mécaniques (dureté, énergie élastique). Ces caractérisations utiliseront les moyens du laboratoire et
d'autres moyens disponibles au Ripault ou au CEA.
Compétences souhaitées :
Chimie en solution, sol-gel, hybrides organique-inorganique, procédés en couches minces, optique …
Responsables de thèse :
Philippe BELLEVILLE (HDR; [email protected] ou Karine VALLÉ CEA-Le Ripault – tél. : 02 47 34 00 00
12 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 ILE DE FRANCE
VALDUC
Le RIPAULT
CESTA
GRAMAT
Electromagnétisme
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
13 / 84
Electromagnétisme
Sujet : Etude d’un nouveau concept d’arme électromagnétique de défense basée sur la focalisation spatiotemporelle d’une onde obtenue par application du principe du retournement temporel
Contexte : Les Applications ElectroMagnétiques de Défense (AEMD) recouvrent aussi bien la conception et l’emploi
d’armes à énergie dirigée à base d’ondes électromagnétiques (armes électromagnétiques), que la protection de nos
systèmes d’armes vis-à-vis de ces menaces. Différentes technologies, comme les klystrons ou les magnétrons, sont
actuellement utilisées pour générer ces types de signaux. Elles sont généralement lourdes à mettre en œuvre et
nécessitent de très fortes puissances. La recherche de nouvelles technologies intégrant, dans un espace réduit, des
dispositifs compacts et répétitifs, est donc l’une des priorités pour ces applications. Originellement développé au
Laboratoire Ondes et Acoustique (LOA) de l’ESPCI (Ecole Supérieure de Physique et Chimie de Paris), le
retournement temporel est un procédé étudié initialement pour focaliser des ondes acoustiques en temps et en
espace. 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 CEA Gramat. 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 CEA Gramat.
L’Institut Langevin apporte son expertise théorique, numérique et expérimentale sur le retournement temporel des
micro-ondes en régime basse puissance. Le CEA Gramat, 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 – ESPCI - Institut Langevin – 01 40 79 51 48
Contact : CEA/DAM/Gramat : Jean –Christophe Joly – tél : 05 65 10 54 32
14 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Electromagnétisme
Sujet : Etude et développement d’un concept de caractérisation rapide d’antennes basé sur le principe du
retournement temporel du champ électromagnétique en chambre réverbérante
Contexte : Le retournement temporel est une technique aujourd’hui bien maîtrisée qui permet d’exploiter les
propriétés réverbérantes d’un milieu de propagation pour améliorer la qualité d’une transmission d’énergie. 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
focalisée en un point. Le milieu se comporte alors comme un milieu à compression d'impulsions.
Les premières applications menées par le laboratoire Onde et Acoustique de l’ESPCI concernaient le domaine de
l’acoustique et de la sismologie.
En électromagnétisme, le cas de la cavité résonante se prête bien à l’application du retournement temporel. La
technique peut être vue, dans le domaine fréquentiel, comme la superposition en phase de tous les modes au point
d’intérêt, et donc la focalisation spatiale en ce point. Les applications de cette mise en œuvre du retournement
temporel se situent dans les domaines du médical, militaire et télécommunications.
Une thèse, menée à Supélec de 2007 à 2010, a démontré expérimentalement et numériquement que la focalisation
du champ électromagnétique était possible non seulement en un point mais aussi en un front d’onde. Il s’agit
désormais de tirer profit de cette génération de front d’onde en chambre réverbérante : l’application envisagée est la
caractérisation rapide d’antennes.
Objectif de la thèse : L'objectif de la thèse est de déterminer rapidement le diagramme de rayonnement d’une
antenne. Jusqu’à présent, la caractérisation d’antenne est classiquement mise en œuvre dans des chambres
anéchoïques de grandes dimensions, ou à l’aide d’arches de mesures en champ proche avant une transformation
en champ lointain. Ces mesures sont longues et coûteuses en moyens, capteurs, absorbants…
Les travaux objets de cette thèse ont pour objectif d’étudier une alternative à ces méthodes. L’antenne à
caractériser est disposée dans une chambre réverbérante. Un front d’onde plan est alors généré par retournement
temporel sur l’antenne suivant toutes les élévations, azimuts et polarisations. Tirant profit du principe de réciprocité,
le diagramme de rayonnement de l’antenne est ainsi obtenu plus rapidement, avec un nombre limité de
capteurs/émetteurs.
Déroulement de la thèse : Dans un premier temps, l'étudiant assimilera les résultats obtenus lors de l’étude
précédente conduite à Supelec. Ensuite, la qualité de la focalisation des fronts d’onde sera étudiée numériquement
ou expérimentalement. Enfin, des comparaisons seront menées sur différentes antennes, numériquement et
expérimentalement.
Ces travaux s’inscrivent dans une collaboration entre le Département de Recherche en Electromagnétisme de
Supélec et le CEA-Gramat. Le laboratoire de Supelec apporte son expertise théorique, numérique et expérimentale
sur le retournement temporel des micro-ondes en régime basse puissance. Le CEA-Gramat, 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 des antennes de grandes dimensions et sur de larges
bandes de fréquences. Le CEA-Gramat dispose par ailleurs de codes de simulations numériques (en particulier
différences finies dans le domaine temporel) compilés sur les calculateurs de puissance massivement parallèle du
CEA.
Directeur de thèse : Andrea Cozza - Supelec – UMR 8506, CNRS
Contact : CEA/DAM/Gramat : Jean –Christophe Joly – tél : 05 65 10 54 32
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
15 / 84
Electromagnétisme
Sujet : Applicateur antennaire destiné aux études d’effets biologiques des ondes électromagnétiques subnano secondes
Contexte : De nombreuses études ont été conduites ces dernières années dans le domaine des effets des ondes
électromagnétiques impulsionnelles sur les tissus vivants. L’utilisation d’impulsions de durée de la classe
millisecondes est à présent répandue et utilisée en médecine pour le traitement des cancers ; les chercheurs se
sont intéressés ensuite aux effets des impulsions dites « nano-pulses » présentant des durées d’une à plusieurs
dizaines de nanosecondes. Dans ces deux cas, les impulsions sont appliquées par conduction à l’aide
d’applicateurs plus ou moins invasifs (aiguilles, électrodes de surfaces).
Plus récemment les chercheurs ont abordé le domaine des impulsions dites « sub-nanoseconde » à temps de
montée très rapide et de durée brève ; les applications concernent d’une part le domaine médical et d’autre part la
détermination des seuils de nocivité, à finalité normative (normes DREP – Danger des rayonnements
électromagnétiques sur les personnels), des ondes électromagnétiques impulsionnelles rapides dites UWB (Ultra
Wide Band) utilisées en radar, en télécommunication et comme moyens d’agressions électromagnétiques.
Les caractéristiques des ondes rayonnées, de par leur brièveté, offrent la possibilité d’utiliser des applicateurs
antennaires non invasifs ; leur étude fait l’objet de cette thèse.
Objectif de la thèse : Cette thèse a pour objet l’étude d’un système illuminateur permettant la focalisation en zone
proche d’une onde électromagnétique (onde impulsionnelle de fort niveau (classe MV/m)) et présentant un temps de
montée rapide inférieur à la nanoseconde. Il devra permettre, de façon non invasive, une focalisation précise de
l’onde (échelle millimétrique à centimétrique), en surface et en profondeur, d’un milieu représentatif d’un tissu
biologique. Les difficultés résident dans les caractères large bande, haute puissance, et pouvoir focalisant du
dispositif antennaire. L’antenne devra pouvoir être alimentée par des générateurs Ultra Large Bande de forte
puissance.
Déroulement de la thèse : Après une étude bibliographique et une analyse critique des publications étrangères sur
le sujet (notamment les publications relatives aux antennes PSIRA « Prolate-Speroidal Impulse Radiating Antenna »
aux USA) la solution technologique la mieux adaptée aux besoins dictés par les études biologiques sera retenue.
Ces travaux se fonderont à la fois sur une approche théorique et une approche numérique en profitant des moyens
de calculs importants du CEA Gramat. Au terme de cette première phase, un prototype sera fabriqué; une
caractérisation basse puissance sera effectuée de manière à estimer les performances atteignables (gain, pouvoir
focalisant dans différent milieux, bande passante,..). A l’issue de ces expériences, des essais et des mesures fortes
puissances seront effectuées sur le site du CEA Gramat, sur des milieux représentatifs, en relation avec les
biologistes de l’institut Gustave Roussy.
Directeur de thèse : Joël Andrieu – Philippe Lévêque (Laboratoire XLIM – Université de Limoges)
Co-directeur : Lluis Mir – Laboratoire de Vectorologie et Thérapeuthiques Anticancéreuses – IGR - Villejuif
Contact : CEA/DAM/ Gramat: René Vézinet 05 65 10 54 32
16 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Electromagnétisme
Sujet : Méthodes statistiques pour le calcul des interférences électromagnétiques au sein de systèmes
complexes
Contexte : le calcul des interférences électromagnétiques sur un système complexe à forte densité d’électroniques
et d’interconnexions est un défi majeur de la compatibilité électromagnétique depuis de nombreuses années. La
modélisation déterministe, bien qu’ayant fait l’objet de progrès considérables, possède certaines limites qui la
rendent difficilement utilisable en phase de conception de systèmes, là où elle devrait permettre l’évaluation des
risques et la possibilité de prendre des mesures préventives en phase initiale de conception. La grande diversité des
paramètres ainsi que la dispersion des valeurs possibles sont à l’origine de ces difficultés, tandis que les modèles
utilisés, eux-mêmes, souffrent naturellement des approximations faites pour les établir. Bon nombre de paramètres
de simulation peuvent donc être considérés comme des variables aléatoires dont il faut a priori connaître les lois de
distribution. L’évaluation des interférences ne serait alors plus donnée par un chiffre mais sous la forme d’un
ensemble possible de valeurs dont la probabilité d’occurrence serait connue. Ces approches, parfois courantes
dans d’autres disciplines, sont entièrement nouvelles en compatibilité électromagnétique et font l’objet depuis peu
de quelques tentatives. C’est dans ce contexte que cette thèse s’inscrit.
Objectif de la thèse : L’objectif de cette thèse est précisément d’élaborer des stratégies de calcul innovantes visant
à estimer le plus efficacement possible des indicateurs probabilistes pertinents sur le plan CEM. L’utilisation d’une
méthode de collocation stochastique permet, par exemple, de retrouver des paramètres du second ordre
caractéristiques du champ électromagnétique, estimés à l’aide de seulement quelques événements aléatoires.
Ainsi, le champ de probabilités des valeurs extrêmes d’une fonction constitue-t-il un enjeu important en CEM où l’on
s’intéresse aux intensités maximales d’une interférence.
Déroulement de la thèse : Différentes approches feront tout d’abord l’objet d’un analyse attentive et seront le
prétexte à une analyse des stratégies utilisées dans différents champs disciplinaires. La méthode classique
d’investigation numérique statistique est la méthode de Monte-Carlo, parfaitement fiable mais à convergence
beaucoup trop lente. Plus généralement, les techniques dites de « bootstrap » permettent d’estimer précisément un
intervalle de confiance ainsi que les valeurs extrêmes d’une distribution, sans nécessiter d’autre information que
celle disponible dans l’échantillon. Cependant, pour faire face aux temps de calcul excessivement longs de ces
démarches classiques, différentes alternatives ont été proposées. La méthode dite « unscented transform »
introduite très récemment par une équipe de chercheur de l’université Notthingham, et appliquée à la CEM,
permettrait d'accéder à la connaissance des moments de la distribution du résultat recherché au prix de quelques
simulations seulement. Des recherches récentes montrent également qu’il est possible d’accroître la vitesse de
convergence du processus de Monte-Carlo dans le cadre d’un calcul d’"interférences aux câbles". Dans le cadre de
cette thèse, il s’agira de faire le point sur ces différentes approches et d’en développer les applications, sur des cas
tests pertinents dans le contexte de la mise au point de la CEM dans différents secteurs industriels concernés
(transports, télécommunications…). L’analyse reposera ensuite sur des expériences entièrement numériques qui
seront confrontés en permanence avec une approche expérimentale. On fera éventuellement recours à une analyse
topologique préalable afin de hiérarchiser les couplages. Le formalisme de KRON pourrait s’avérer utile dans ce
contexte. Le déroulement de la thèse pourrait alors être le suivant :
- Analyse bibliographique ; elle sera sur ce sujet particulièrement importante. Les résultats de cette analyse devront
permettre de faire le point sur les techniques d’estimation de la propagation des incertitudes dans le domaine des
systèmes d’équations différentielles linéaires et non linéaires, multi-variables. Des contacts avec des experts
statisticiens (notamment avec l’IRMAR à Rennes, et en particulier ses équipes de l’aléatoire) seront recherchés pour
accélérer ce processus.
- Dans un second temps, une famille de problèmes typiques d’une configuration CEM d’intérêt sera sélectionnée à
des fins d’études approfondies. Il sera recherché une méthode spécifique de calcul s’inspirant de techniques
inventoriées ou en émettant de nouvelles propositions. La validation de ces méthodes sera recherchée sur le plan
numérique en prenant en compte comme support des codes de calculs déterministes disponibles à l’IETR et au
CEA Gramat. Enfin, on recherchera également les moyens d’une validation expérimentale de la ou des méthodes
proposées. Là encore, la variété des moyens expérimentaux du CEA Gramat pourra être avantageusement mise à
profit.
Directeur de thèse : Philippe Besnier – INSA-IETR – Université de Rennes 1
Contact : CEA/DAM/ Gramat – Bernard Pecqueux – 05 65 10 54 32
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
17 / 84
Electromagnétisme
Sujet : Etude d’antennes planaires de faibles dimensions à gain important et maximisé
Contexte : Les Applications ElectroMagnétiques de Défense (AEMD) recouvrent aussi bien la conception d’armes à
énergie dirigée à base d’ondes électromagnétiques, que la protection de nos systèmes d’armes vis-à-vis de ces
menaces. Les études de laboratoire, conduites au CEA Gramat depuis une dizaine d’années, ont clairement mis en
évidence la vulnérabilité de la plupart des systèmes modernes, civils ou militaires, à ce type d’agressions. Toutefois,
la définition, puis la réalisation de systèmes d’armes électromagnétiques, nécessitent encore le franchissement de
nombreuses étapes technologiques.
Les besoins se situent non seulement sur la conception de nouvelles sources génératrices de perturbations, mais
également sur la conception des antennes qui leurs sont associées. C’est sur ce dernier point que porte l’étude
proposée dans ce sujet de thèse.
Objectif de la thèse : Cette thèse a pour objet l’étude d’antennes planaires de faible épaisseur (quelques cm), de
dimensions de l’ordre de quelques dizaines de cm (∼30 par 30), avec un gain important et maximisé. Ce type
d’antenne doit pouvoir être alimentée par un guide d’onde ou un autre dispositif ; le système générant la puissance
microonde étant de la classe kW. L’étude sera subdivisée en deux volets :
- une antenne bande étroite (largeur de bande 100 MHz), à fréquence fixe (comprise entre 1 et 5 GHz pour l’étude)
permettant l’obtention d’un diagramme de rayonnement ajustable et reconfigurable, de directif (largeur de lobe à 3dB ∼20°) à peu directif (∼60 à 80°),
- une antenne large bande permettant un balayage en fréquence dans la bande 1 à 5 GHz, sans maîtrise du
diagramme de rayonnement, mais avec les mêmes objectifs de compacités.
La thèse doit permettre de dégager des solutions pouvant conduire à la réalisation de prototypes présentant une
certaine robustesse.
Déroulement de la thèse : Le travail débutera par une étude bibliographique sur les divers dispositifs utilisés pour
la réalisation d’antennes planaires (BIE, HIE, …). Cette étude permettra de retenir la piste technologique la mieux
adaptée au besoin de notre application. Ensuite, différentes recherches seront conduites sur un ou plusieurs
concepts d’antennes. Ces travaux se fonderont à la fois sur une approche théorique et une approche numérique. Au
terme de cette première phase, un ou plusieurs prototypes seront fabriqués par le CEA. Pour commencer, une
caractérisation basse puissance sera effectuée de manière à estimer les différents paramètres obtenus par les
prototypes (gain, directivité, bande passante..). Au vu des résultats expérimentaux, des études
théoriques/numériques pourront être à nouveau menées pour améliorer les performances d’un ou deux prototypes
sélectionnés. A l’issue de ces expériences, des essais fortes puissances (domaine kW) seront effectuées sur le site
du CREMANT et/ou, si nécessaire, au CEA Gramat, avec un processus itératif impliquant les études numériques.
La thèse pourra se dérouler indifféremment dans les laboratoires du LEAT, ou du CEA Gramat.
Directeur de thèse : Jean-Yves Dauvignac – Jean-Marc Ribero (Laboratoire LEAT – Université de NiceSophia Antipolis)
Contact et co-encadrant : CEA/DAM/ Gramat: Jean-Louis Lasserre 05 65 10 54 32
18 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Electromagnétisme
Sujet : Etude et développement d’un banc de caractérisation basse fréquence (300 MHz – 3 GHz) de cloisons
Contexte : L’évaluation des perturbations ou de l’atténuation apportées par la traversée des cloisons de bâtiments
est importante pour les applications radar (TTW), micro-ondes de forte puissance ou télécommunications.
L’atténuation et la dispersion apportées par la traversée d’une cloison peuvent être déduites des paramètres
diélectriques de celle-ci. Dans la littérature, la caractérisation expérimentale des matériaux de construction est
fréquemment réalisée pour des fréquences supérieures à 1 GigaHertz. En revanche la bande plus basse offre peu
de moyens d’investigation.
Objectif de la thèse : Cette thèse a pour objectif de concevoir et mettre en place un banc de caractérisation de
cloison pour des fréquences comprises entre 300 MHz et quelques GigaHertz. La mesure sera menée à la fois dans
le domaine harmonique, via l’utilisation d’un analyseur de réseau vectoriel, dont l’avantage est de présenter une
forte dynamique de mesure et dans le domaine impulsionnel bien adapté à la métrologie extérieure. Ces deux
techniques seront évaluées sur la mesure des paramètres de dispersion d’un matériau. Différentes techniques de
déconvolution seront développées et évaluées en fonction de la réponse impulsionnelle de la cloison. Les
paramètres tels que la permittivité diélectrique réelle et la tangente de pertes effective seront extraits de cette
réponse impulsionnelle afin de pouvoir élaborer des modèles numériques de cloisons.
Déroulement de la thèse : Le travail débutera par une étude bibliographique des paramètres diélectriques des
matériaux de construction et des techniques de caractérisation microondes non destructives. L’étudiant se
familiarisera avec l’instrumentation harmonique et la métrologie impulsionnelle développée à XLIM.
Trois axes seront développés durant la thèse :
-
-
élaboration et mise en place d’un banc expérimental de caractérisation de matériaux de construction. Les
bancs de mesure harmonique et impulsionnelle seront testés sur une cloison mobile disponible au laboratoire.
Il s’agira d’évaluer les performances de ces deux techniques de caractérisation.
Etude comparative d’algorithme d’extraction des paramètres significatifs d’un matériau. Cette étude s’appuiera
sur des simulations électromagnétiques couplées à des méthodes de traitement du signal.
Association du banc expérimental et des algorithmes développés pour caractériser diverses cloisons in situ et
en donner les modèles numériques équivalents.
Directeur de thèse : Michèle LALANDE (Laboratoire XLIM – Université de Limoges)
Edson MARTINOD (Laboratoire XLIM – Université de Limoges)
Contact : CEA/DAM/Gramat – Bernard Pecqueux – 05 65 10 54 32
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
19 / 84
Electromagnétisme
Sujet Conditions de transmission optimales pour une méthode de décomposition de domaines appliquée
à la résolution des équations de Maxwell
Contexte Dans le cadre de ses activités dans le domaine de la furtivité radar, le CEA/DAM/CESTA développe
des codes de calcul simulant le comportement électromagnétique d’objets 3D complexes. Des méthodes
numériques dites exactes (équations intégrales : EI, méthodes aux éléments finis : EF) sont aujourd’hui bien
maîtrisées pour résoudre les équations de Maxwell dans le domaine fréquentiel, équations régissant la
propagation d’un champ électromagnétique en régime linéaire et harmonique. L’utilisation de moyens de calculs
performants a permis d'étendre vers les hautes fréquences les méthodes numériques exactes.
Les objets considérés sont, typiquement, des conducteurs recouverts de matériaux inhomogènes. Les équations
de Maxwell peuvent alors être résolues avec précision en couplant une formulation EF volumique à une
formulation EI écrite sur la frontière extérieure du domaine de calcul, qui prend exactement en compte la condition
de rayonnement. Cependant, les temps calcul et la taille mémoire requis par cette méthode deviennent
rapidement rédhibitoires lorsque la fréquence augmente. Une solution consiste à découper le domaine en sous
domaines: le problème initial est ainsi décomposé en plusieurs sous problèmes couplés qui peuvent être résolus
indépendamment (méthode de décomposition de domaines : DDM). Une telle méthode a été mise en œuvre
numériquement au CEA/DAM/CESTA pour résoudre itérativement de très grands systèmes linéaires.
Objectif de la thèse La convergence de cette méthode dépend de façon cruciale de l’efficacité des conditions de
transmission (CT) implémentées sur les interfaces qui séparent les sous-domaines. Ces interfaces peuvent être
situées dans un milieu inhomogène. Afin d’accélérer cette convergence, diverses CT ont été proposées sous
forme numérique ou analytique. L’objectif est de définir des CT performantes pour des ondes propagatives et
évanescentes dans un milieu quelconque.
Déroulement de la thèse On définira dans un premier temps des CT d’ordre élevé dérivées de conditions
d’impédance existantes et on évaluera leurs performances pour un problème modèle 2D. On passera ensuite à
un problème modèle avec interfaces planes (passage à la limite du 2D), puis sphériques. On s’attachera à définir
des conditions suffisantes de convergence de la méthode itérative, ainsi que d’unicité des solutions dans chacun
des sous problèmes. On examinera la possibilité d’appliquer ces CT, analytiques ou numériques, à des interfaces
de forme quelconque. On pourra également s’intéresser à une DDM « exacte » dérivée de la méthode FETI. Les
outils Maple et Matlab sont disponibles au CESTA, ainsi qu’un code d’étude DDM 3D.
Directeur de thèse NC
Contact Bruno Stupfel ; Tél : 05 57 04 40 00 ; CEA/DAM/CESTA
20 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 ILE DE FRANCE
VALDUC
Le RIPAULT
CESTA
GRAMAT
Electronique
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
21 / 84
Electronique
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 des charges parasites. Dans le semi-conducteur elles sont collectées par les zones de champ des
transistors élémentaires. Dans les isolants, ces charges sont piégées et perturbent fortement le fonctionnement
électrique des composants. Ces effets de piégeage viennent renforcer la sensibilité aux changements d’état
logiques dans les cellules mémoires, ou aux signaux parasites qui se propagent le long des chaînes de portes dans
les circuits logiques. Des techniques de durcissement pénalisantes doivent alors être mises en place, pour pallier à
la sensibilité des composants. Les effets de microdose ont été décelés récemment dans des composants de
puissance, mais semblent concerner tous les composants contenant des couches d’isolant très minces. L’intégration
des technologies fait que tous les composants sont dans ce cas, que les normes de tests actuelles sont remises en
cause et que le besoin de compréhension des mécanismes physiques à l’origine de cette augmentation de
sensibilité doit être étudiés dans les meilleurs délais. Les deux derniers points font l’objet du travail de thèse
proposé. Objectif de la thèse La thèse proposée s’intègre dans le cas d’une étude globale dont l’objectif est la capacité à
modéliser les effets des rayonnements dans les composants mircoélectroniques avancés. Nos outils de simulation
se doivent d’être prédictifs, il faut donc pouvoir prendre en compte tous les modèles d’ionisation possibles en
fonction des interactions particules – matériaux pour les technologies les plus avancées.
Le travail de thèse consistera à déterminer les paramètres responsables de l’effet des irradiations protons et
neutrons sur la sensibilité des composants en fonction de leur intégration. L’étudiant analysera les données
expérimentales disponibles dans la littérature relative à la sensibilité accrue des composants avancés aux fluences
de protons ou de neutrons. Il s’attachera également à montrer les effets de l’énergie des particules et de leur angle
d’incidence sur la réponse des composants électroniques. L’étudiant devra donc faire appel à des connaissances
sur l’interaction particules – matière et sur la physique du semi-conducteur.
Déroulement de la thèse La thèse se déroulera sur trois ans selon trois étapes principales :
1) Étude bibliographique et premiers calculs (6 mois)
Les trois premiers mois de la thèse seront consacrés à l’analyse de la bibliographie sur les résultats expérimentaux
récents décrivant ce mécanisme de microdose, ou sensibilité accrue aux irradiations protons et neutrons. Au cours
des trois mois suivants, l’étudiant analysera les modèles d’interaction particule - matière dans le contexte spécifique
des particules de type protons et neutrons impactant les matériaux utilisés dans les technologies microélectroniques
avancées. Cette première étape permettra de quantifier le besoin d’analyse, d’expériences et de modélisation, et
conditionnera les travaux de la thèse.
2) Expériences d’irradiation de composants
Pendant environ deux ans, l’étudiant préparera et réalisera des expériences en fonction des types de faisceaux de
particules accessibles et de la disponibilité des machines d’irradiation. Les mesures seront réalisées sur des
transistors élémentaires ou des mémoires de génération 50-70 nm jusqu’à 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 - Philippe PAILLET - CEA / DAM / Ile de France - 01 69 26 40 00
22 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Electronique
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 de 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'influence 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
d'accumulation 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 forme 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 ou non indépendamment 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 plateforme Quercy du CEA Gramat. 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)
Contact : CEA/DAM/Gramat: Patrick Hoffmann 05 65 10 54 32
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
23 / 84
Electronique
Sujet Etude de la production, de la propagation et de la focalisation d’un faisceau d’électrons impulsionnel
intense.
Contexte Le sujet s’inscrit dans un programme de recherche et développement qui concerne le dépôt d’énergie sur
des matériaux par une impulsion d’électrons délivrée par une diode de forte puissance. Cette thématique de
recherche fait partie d’un processus itératif entre la mise au point de modèles d’équation d’état des matériaux d’un
côté et la réalisation d’expériences de validation de ces modèles de l’autre.
Ces expériences très spécifiques, qui sont conçues et mise au point par le CEA, mettent notamment en œuvre le
générateur CESAR. Cette machine, unique en France, permet de faire des dépôts d’énergie ultra brefs sur les
matériaux. Pour des dépôts d’énergie de basse fluence (1 à 10 cal/cm2) un autre moyen expérimental est utilisable
au CEA. Avant de l’utiliser pour des expériences de durcissement, il convient de l’adapter ainsi que de caractériser
le dépôt d’énergie réalisé.
Les modèles d’équations d’état des matériaux étudiés réclament davantage de précisions dans les mesures qui sont
habituellement réalisées. Ainsi, pour améliorer la connaissance du dépôt d’énergie, il est impératif de progresser
dans la maîtrise de la physique de la diode à électrons. Pour produire des courants de l’ordre de la centaine de kA,
avec des tensions de 400 kV à 1 MV, il faut faire appel à des domaines de la physique variés : émission
électronique, transport du faisceau d'électrons sous vide, interaction électrons-matière.
L’évolution des moyens de calculs et des codes particulaires (internes ou externes au CEA), permet de prendre en
compte davantage de physique que par le passé. Ces outils permettent de prédire certains modes de
fonctionnement et d’affiner la modélisation de ce type de diode. C’est pourquoi, la connaissance plus fine du dépôt
d’énergie, notamment en termes d’homogénéité du faisceau d’électrons semble aujourd’hui accessible et conduit à
un programme d’études à la fois expérimental et théorique.
Objectif de la thèse L’objectif de la thèse est de proposer et de réaliser une ou plusieurs diodes adaptées à chaque
moyen expérimental, afin d’obtenir un mode de fonctionnement permettant une connaissance plus fine du dépôt
d’énergie sur les échantillons. Les travaux doivent également permettre d’apporter des éléments de réponse aux
inconnues liées au comportement de ces faisceaux en fonction du de matériau utilisé.
Déroulement de la thèse Le déroulement de la thèse s’appuie sur des travaux de modélisation à l’aide de codes
PIC (Particle In Cell) spécifiques et de travaux expérimentaux. Dès l’entame de la thèse, en parallèle d’une
recherche bibliographique, la première phase consistera en un apprentissage des moyens de calculs mis à
disposition et notamment des codes PIC utilisés au CEA pour cette thématique. A partir de la modélisation des
géométries classiquement utilisées, il s’agira de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu et de les
hiérarchiser. Intégrant assez tôt une première campagne expérimentale, ce premier volet de la thèse conduira à une
analyse des diagnostics utilisés et à l’identification ou à l’adaptation de nouveaux diagnostics.
La deuxième phase de la thèse permettra de définir des géométries de diode provoquant des améliorations
substantielles dans l’homogénéité du dépôt d’énergie du faisceau d’électrons. Là encore, le processus itératif
modélisations / expériences est à la base de la démarche. Cette phase pourra être l’occasion de mettre en place
des diagnostics supplémentaires, notamment un diagnostic d’imagerie du dépôt qui n’existe pas aujourd’hui.
La mise en évidence de différents modes de fonctionnement de la diode, associée à des variations géométriques et
à des formes de dépôt différentes, fournira des éléments objectifs d’optimisation de la diode. C’est l’objet du dernier
volet de cette thèse qui devrait amener à l’objectif fixé.
Directeur de thèse Jacques GARDELLE (HDR).
Contact Jacques GARDELLE CEA/CESTA, tél. 05 57 04 46 96 / Secrétariat : 05 57 04 49 71 / Courriel :
[email protected]
24 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Electronique
Sujet : Etude des effets de synergie Dose-SEE et Dose-TREE dans les circuits intégrés analogiques soumis
à une agression de type fort débit de dose
Contexte : A bord des satellites, les circuits intégrés se dégradent lentement sous l’effet de la dose ionisante et des
défauts de déplacement. A un instant t de la mission, un circuit ainsi dégradé peut être soumis à une agression de
type ion lourd ou flash X fort débit. Lors d’une précédente thèse, il a été montré que les effets transitoires induits,
soit par le passage d’un ion lourd, soit par le flash X fort débit étaient fortement accentués lorsque le circuit était
préalablement irradié. Or, les tests Single Event Effects (SEE) au sol sont réalisés sur des circuits non irradiés. La
sensibilité aux SEE et TREE (Transient Radiation on Electronics Effects) peut donc être fortement sous estimée
alors que ces phénomènes transitoires sont susceptibles d’entrainer une perte de fonctionnalité partielle ou totale du
matériel. La réalité de ces effets de synergie est attestée par des données en vol (Thalès Alenia Space). L’effet de
synergie a pu être analysé et modélisé sur des amplificateurs trois étages type LM124. La démarche suivie a
consisté à analyser et modéliser la propagation d’un signal transitoire dans un circuit intégré en fonction des
paramètres grand signal (en particulier la vitesse de balayage de l’amplificateur) et petit signal (analyse Laplace),
puis à prendre en compte la dégradation induite par la dose de ces paramètres dans le modèle. Le modèle a
ensuite été validé par une campagne d’essai sur les moyens du CEG.
Cette campagne de test a montré que le modèle haut niveau permettait de décrire de façon très précise,
qualitativement et quantitativement, les SEE et TREE enregistrés sur des composants irradiés et non irradiés. Cette
étude doit à présent être étendue à d’autres architectures de composants. Les résultats expérimentaux ont
également soulevé un certain nombre de questions, en particulier sur les effets destructifs auxquels cette nouvelle
thèse se propose de répondre.
Objectif de la thèse : l’objectif principal de cette thèse est d’étendre le domaine de validité du modèle qui, pour
l’instant, ne s’applique qu’aux AOP (amplificateur opérationnel) à trois étages. Pour cela, 4 axes sont proposés :
Axe 1 : Etendre le modèle à d'autres types d'amplificateurs :
-Validation pour des AOP 3 étages autres que LM124,
-Investigation sur AOP de type OP400 ( 2 étages différentiels en cascade),
-Investigation sur circuit intégré de type AD844 ou AD8011 (« current feedback » avec étage d’entrée à convoyeur
de courant).
Axe 2 : Etude de circuits intégrés plus complexes comme les régulateurs de tension.
Axe 3 : Etude de l’effet de synergie déplacements / TREE qui n'a pu être réalisée au cours de la thèse précédente,
faute de moyens d’essai.
Axe 4 : Etude des effets destructifs mis en évidence lors des essais réalisés sur les moyens de la DGA.
Déroulement de la thèse : La première année de la thèse sera consacrée à l’étude de la dégradation en dose des
circuits cités ci-dessus. Il s’agit de comprendre comment les paramètres statiques et dynamiques sont affectés par
la dose ionisante et comment cette dégradation se répercute sur la propagation d’un signal parasite. En parallèle, il
est proposé de mettre en place de nouveaux bancs de test au laboratoire.
Deuxième année : A partir des résultats obtenus en première année, nous nous proposons de compléter le modèle
haut niveau développé au cours de la thèse précédente. Les composantes rapides (Laplace) et lentes des SEE et
TREE seront modélisées séparément. Les deux modèles seront alors combinés pour obtenir la forme complète des
signaux.
La troisième année sera consacrée à la validation expérimentale des modèles développés, en utilisant la simulation
laser et si possible des essais sur les moyens du CEA.
Directeur de thèse : Pr. Laurent Dusseau, IES Université Montpellier 2
Contact et co-encadrant : CEA/DAM/ Gramat: Gérard Auriel 05 65 10 54 32
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
25 / 84
26 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 ILE DE FRANCE
VALDUC
Le RIPAULT
CESTA
GRAMAT
Environnement
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
27 / 84
Environnement
Sujet Evaluation microscopique des interactions entre le plutonium et les substances humiques
présentes 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 substances
organiques de type acides fulviques et humiques revêtent une importance fondamentale car ces complexants
forts peuvent être des vecteurs de mobilité du Pu dans les eaux naturelles.
Déroulement de la thèse Il s’agira donc dans un premier temps de caractériser aussi finement que possible la
structure de ces molécules, en particulier les différents sites actifs (phénoliques, carboxyliques) et leur affinité
pour les différents états d’oxydation du plutonium. Cette caractérisation sera réalisée grâce à l’utilisation d’outils
performants et innovants comme la spectrométrie de masse de type Orbitrap, la conductimétrie haute précision
de manière, la chromatographie à flux forcé (FFF). Elles permettront d’obtenir des informations relatives à leur
morphologie, leur taille et leur charge effective en fonction de différents paramètres ; en particulier le pH, la
température et la présence d’autres cations compétiteurs naturellement présents dans l’environnement (Ca, Na,
etc.). Ensuite l’utilisation d’autres techniques chromatographiques comme le couplage électrophorèse capillaire –
spectrométrie de masse couplée à une source plasma générée par induction (EC-ICPMS) permettra d’évaluer
l’affinité des substances humiques envers le plutonium. L’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. Elle permet
entre autres la manipulation de substances radioactives sans risque ni précaution autres que celles requises dans
un laboratoire d’analyse. 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.
Objectif de la thèse 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 organiques rencontrés dans les milieux étudiés.
Directeur de thèse Jean AUPIAIS – - CEA / DAM / Ile de France
Contact Nicolas BAGLAN - CEA / DAM / Ile de France - 01 69 26 40 00
28 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 ILE DE FRANCE
VALDUC
Le RIPAULT
CESTA
GRAMAT
Expérimentations
et
Instrumentation
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
29 / 84
Expérimentations et Instrumentation
Sujet Développement d’optiques X multicouches pour la spectrométrie large bande dans le domaine
spectral 30 eV - 20 keV
Contexte
Le sujet du doctorat s’inscrit dans le cadre des études préparatoires de conception des diagnostics plasma
permettant de caractériser l’atteinte de l’ignition sur le Laser Mégajoule (LMJ) actuellement en construction au
CEA/CESTA près de Bordeaux. Le travail sera réalisé dans le cadre d’un suivi de collaboration engagé depuis 4 ans
entre deux laboratoires : d’une part, le Laboratoire de Développement des Diagnostics Plasma (LDDP) du Service
Conception des Expérimentations Plasma de DAM Île de France en charge de la conception des diagnostics X et de
leur métrologie, et d’autre part, le Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique, CNRS, Université Paris-Sud
(LCFIO) qui possède une compétence reconnue internationalement dans le domaine des couches minces et de
l’optique X-UV. L’étude porte sur la réalisation d’optiques à sélectivité spectrale dans la gamme des rayons X
comprise entre 30 eV et 20 keV. Ces optiques de hautes performances (miroirs interférentiels multicouches
apériodiques, réseaux multicouches…) seront développées principalement pour des besoins de spectroscopie large
bande.
Objectif de la thèse
La mesure absolue de la puissance spectrale X émise entre 100 eV et 10 keV par les plasmas créés par interaction
laser-matière sur des grandes installations laser de puissance (Laser OMEGA à l’Université de Rochester, E.U., la
LIL (Ligne d’Intégration Laser) au CEA Bordeaux) se fait à l’aide d’un spectromètre large bande (dénommé DEMIX)
qui mesure le flux X dans plusieurs bandes spectrales. Le découpage de ces bandes spectrales (une vingtaine au
total), est réalisé par l’association de filtres et de miroirs en incidence rasante. L’objectif de cette thèse est
d’améliorer la précision de la mesure de ce spectromètre en utilisant des optiques X innovantes avec de nouveaux
traitements multicouches permettant de mieux définir les bandes passantes des différentes voies du diagnostic et
d’étendre la plage de mesure.
Le travail proposé comporte la conception de revêtements multicouches à l’aide de logiciel de simulation, l’étude et
l’optimisation des dépôts de multicouches par pulvérisation cathodique magnétron, et le transfert sur les optiques
finales du spectromètre. Toutes ces étapes comporteront de nombreuses analyses faisant appel à des équipements
de réflectométrie X rasants ou auprès du synchrotron SOLEIL pour la détermination des propriétés réflectives des
miroirs multicouches et d’interférométrie pour la détermination des profils et des rugosités de surface. Ces
équipements seront mis à disposition du doctorant par le LCFIO et le CEA/DIF. Des analyses complémentaires par
voies physico-chimiques pourront également être mises en œuvre en collaboration avec d’autres laboratoires afin
de valider les modèles optiques des empilements (analyses de surface par spectroscopie, microscopie électronique,
microscopie à force atomique, microanalyse nucléaire). Enfin le doctorant participera à l’intégration des optiques
pour une campagne de mesures d’expériences d’interaction plasma laser sur une grande installation (laser de
puissance).
Déroulement de la thèse Le plan de la thèse sera le suivant :
Phase 1 : Bibliographie, conception de nouvelles optiques X, travail sur la maîtrise des procédés de réalisation et
des empilements des miroirs multicouches indispensables pour contrôler leurs performances nanométriques finales,
optimisation numérique sur des codes existants (8 mois).
Phase 2 : Etude et fabrication des premiers témoins tests, mise au point de la métrologie associée (8 mois).
Phase 3 : Etude et dépôt de multicouches sur les substrats des miroirs du spectromètre DEMIX, caractérisation,
implantation, suivi d’une campagne de mesures (8 mois).
Phase 4 : Dépouillement d’expériences plasma, exploitation des résultats, définition des perspectives d’utilisation de
ces revêtements pour d’autres applications (6 mois).
Phase 5 : Rédaction du mémoire de thèse (6 mois).
Ces travaux auront lieu dans un environnement impliquant de nombreuses collaborations, notamment universitaires.
Directeur de thèse : Franck DELMOTTE (LCFIO)
Contact : Philippe TROUSSEL (DIF/DCRE/SCEP/LDDP) 01 69 26 40 00
CEA, DAM , DIF, F-91297 Arpajon [email protected]
30 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Expérimentations et Instrumentation
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 une 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 : N/C
Contact P. MERCIER - CEA/DAM/Ile de France 01 69 26 40 00
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
31 / 84
Expérimentations et Instrumentation
Sujet : Etude des mécanismes de décomposition de matériaux énergétiques par spectroscopie résolue en temps
Contexte : La connaissance des mécanismes réactifs et du processus de libération d’énergie chimique des
substances explosives est indispensable à la compréhension et à la simulation numérique de leur comportement
sous différentes sollicitations (thermique, par impact, onde de choc,..). Les applications se trouvent essentiellement
dans le domaine de l’amorçabilité (mise au point d’édifices pyrotechniques, de chaînes d’amorçage) et de la sécurité
pyrotechnique (étude des conséquences d’une agression). La modélisation des phénomènes réactifs suit
aujourd’hui une approche multi-échelle, mais il est encore impossible de simuler une détonation à l’échelle la plus
fine. Cette approche consiste à mettre en place des modèles spécifiques simples, mais complémentaires, pour les
différentes échelles. L’amélioration de ces modèles et leur évolution vers des modèles plus prédictifs reposent en
partie sur la prise en compte de paramètres microscopiques physiques, dont on aura pu montrer, par le calcul ou
expérimentalement, qu’ils sont pertinents.
Objectif de la thèse : L’objectif de cette thèse est d’apporter une contribution expérimentale significative à la
compréhension des mécanismes régissant la transition choc détonation (TCD) dans les explosifs solides en
étudiant, à l’aide d’expériences de spectroscopie résolue en temps, les mécanismes réactionnels d’initiation et de
décomposition de ces explosifs, à l’échelle moléculaire et à l’échelle microscopique. Les données expérimentales
obtenues permettront de donner un caractère plus physique au modèle développé par ailleurs, et d’en améliorer la
capacité prédictive.
Déroulement de la thèse : Etat de l’art. Il est aujourd’hui admis que le phénomène de TCD résulte de l’interaction
de l’onde de choc avec la microstructure du matériau énergétique qui crée, localement, au voisinage des défauts et
des hétérogénéités, des points chauds dans lesquels s’initient préférentiellement les réactions chimiques. Si les
conditions le permettent, celles-ci se propagent au reste de l’explosif par combustion des grains, jusqu’à conduire
in fine au développement de la détonation. Les modèles cinétiques disponibles actuellement dans la littérature ne
permettent pas de décrire parfaitement ces phénomènes complexes, et leur caractère prédictif est généralement
limité à leur domaine de calage. La construction de modèles plus physiques nécessite de réaliser des études
expérimentales permettant de mettre en évidence les mécanismes microstructuraux de la TCD et de préciser les
mécanismes réactionnels et les cinétiques mis en jeu.
Programme. Nous développons actuellement deux expériences de spectroscopie résolue en temps qui devront
permettre à terme, d’étudier la phase d’initiation ainsi que les premières étapes régissant la décomposition de
l’explosif. La première consiste à étudier la décomposition induite par laser de matériaux énergétiques confinés
sous haute pression (quelques dizaines de GPa), en cellule à enclumes de diamant (CED) en suivant l’évolution de
la réaction par spectroscopie d’absorption résolue en temps. Cette technique permet d’établir les lois de propagation
de front de flamme qui seraient utilisées dans les modèles de combustion de grain. Il est également possible de
déterminer le degré d’avancement de la réaction ou son temps d’induction. La seconde expérience est la
spectroscopie Raman sous choc laser qui permet d’accéder en temps réel, aux mécanismes réactionnels dans les
phases d’initiation et de décomposition de l’explosif.
La thèse sera consacrée à la poursuite du développement de ces deux expériences. Pour mener à bien ses travaux,
le doctorant effectuera une étude bibliographique destinée à la recherche d’un protocole de préparation des
échantillons à étudier. D’autre part, pour l’expérience de spectroscopie Raman sous choc laser, il devra également
effectuer des simulations pour déterminer les caractéristiques précises des chocs générés en fonction des différents
paramètres expérimentaux. Après ces étapes d’optimisation, les deux expériences seront exploitées pour étudier le
comportement de deux explosifs solides, le TATB et le HMX. Ensuite, l’utilisation de lasers intenses en vue
d’augmenter la durée, l’intensité de la sollicitation et la taille de la surface sollicitée, constituera une étape
indispensable avant l’extension de la spectroscopie résolue en temps à des expériences de détonique. Ces essais
pourront faire l’objet d’une collaboration avec un laboratoire universitaire. Enfin, pour compléter les études des
mécanismes réactionnels, des expériences de microscopie optique sous choc seront entreprises afin d’étudier
l’évolution de la microstructure des explosifs sous choc et d’identifier l’origine de la formation des points chauds. Cet
aspect constitue le deuxième point essentiel pour la modélisation de la TCD dans les explosifs solides.
Directeur de thèse : Michel BOUSTIE ou Thibaut de RESSEGUIER (ENSMA Poitiers), à confirmer
Contact : Philippe HEBERT, CEA Le Ripault Tél : 02 47 34 40.00
32 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Expérimentations et Instrumentation
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 objet 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 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.
Directeurs de thèse Gilles DAMAMME (CEA/DAM/DS)
Contact : CEA Le Ripault Hervé PIOMBINI 0247344000
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
33 / 84
Expérimentations et Instrumentation
Sujet : Intégration de la localisation gamma et neutrons à la mesure de rétention en boîte à gants
Contexte
Le centre de Valduc a développé des moyens de localisation de radioactivité basés sur l'émission gamma et l'émission
neutronique des actinides présents sur le site. Ces moyens ont pour application directe les actions d'assainissement et
d'estimation de la rétention dans les boîtes à gants. Une thèse en cours s’intéresse aux méthodologies de traitements
de spectres, dans l’objectif de traiter tout type de spectre gamma indépendamment du type de détecteur (GeHP ou
CdTe) avec un minimum de données d’entrée. L’optimisation et la combinaison de ces outils permettra de réduire en
temps ainsi qu'en nombre de mesures les campagnes de suivi de rétention matière. Elles peuvent aussi permettre
d’avoir un suivi in situ de l’évolution de la rétention présente dans les boîtes à gants. Le sujet proposé ici s’inscrit dans
la continuité des travaux en cours.
Objectif de la thèse
Dans un premier temps, le doctorant s'attachera à mettre en œuvre et valider l’association de ces moyens de
localisation, à une diode germanium GeHP, pour la quantification des rétentions. Il s’attachera aussi à intégrer les
innovations issues de la thèse en cours à un tel système pour leur déploiement sur le terrain. La thèse comportera
donc une partie de définition, d'adaptation des méthodologies aux conditions de terrain ainsi q'une partie validation par
mesures expérimentales. Le but de ce travail est, à terme, de disposer d’un dispositif expérimental et des
méthodologies de mesures associées, optimisés pour la mesure de rétention indépendamment de l’objet à
caractériser. Le doctorant évaluera aussi la faisabilité d’un suivi en ligne de l’évolution de la rétention d’une BàG par
équipement in situ avec des moyens de mesures tels que des détecteurs UV, IR, CzT, SOI+dépôt bore (n+ γ)….
Déroulement de la thèse
Le programme d’études pourra être décomposé comme suit :
1)
2)
ƒ
ƒ
ƒ
3)
4)
ƒ
ƒ
ƒ
5)
Etude bibliographique
Combinaison des données issues de la gamma caméra avec les mesures par diode GeHP
Mise au point de la technique de collecte et d’exploitation des informations délivrées par les spectromètres gamma
(GeHP et gamma caméra) ;
Acquisitions expérimentales de spectres gamma avec recalage des données délivrées par les 2 appareils ;
Sélection des spectres « cas d’école » qui serviront à la validation de l’algorithme.
Définition des moyens de mesures pour le suivi de rétention dans les BàG
Validation de la méthode
Test de robustesse et validation du domaine de fonctionnement de la méthode à partir de spectres simulés et bruités
graduellement ;
Application à des spectres réels obtenus sur le site de Valduc ;
Compilation des résultats et définition du domaine de validité de la méthodologie.
Rédaction du mémoire et préparation de la soutenance
Directeur de thèse : IN2P3 (CNRS) et Laboratoire de Physique Nucléaire U. Clermont Ferrand
Responsable CEA : Nicolas SAUREL Centre de Valduc
Contact : CEA/DAM/Valduc : 03 80 23 40 00
34 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 ILE DE FRANCE
VALDUC
Le RIPAULT
CESTA
GRAMAT
Informatique scientifique,
simulation numérique,
modélisation
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
35 / 84
Informatique scientifique,
simulation numérique, modélisation
Sujet Développement d’une méthode de couplage fluide structures. Intégration d’une méthode AMR.
Contexte La modélisation de l’interaction fluide structures est d’une grande importance dans la simulation de
phénomènes physiques de plus en plus complexes.
Afin de pouvoir mieux appréhender certains risques environnementaux, le Laboratoire de Détection et de
Géophysique (CEA) a développé un code aux éléments discrets Mka3D qui permet de modéliser les glissements
de terrain, les ruptures et les effondrements de structures soumises à des impacts ou à des explosions. Cette
méthode numérique permet une nouvelle approche de l'étude 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
Le LIMSI a par ailleurs développé un code aux volumes finis CHORUS capable de simuler la propagation des ondes
de chocs dans l’air.
Une thèse, en collaboration avec le LIMSI et l’Ecole des Ponts ParisTech et qui se termine actuellement, a pour but
de développer un algorithme de couplage entre ces deux codes. La thèse proposée ici s'inscrit dans la continuité de
ce travail.
Objectif de la thèse L'objectif de ces travaux est de disposer d'un code de calcul couplé susceptible de modéliser
l’arrivée d’une onde de choc aérienne sur une structure en béton et de pouvoir suivre le vol balistique des fragments
de la structure. Ce sujet est original par le développement d’une nouvelle approche numérique qui combine
plusieurs méthodes numériques.
Déroulement de la thèse Les principales étapes de la thèse sont les suivantes :
- extension de la formulation de l’algorithme de couplage au 3D
- développement d’une méthode de multi résolution adaptative dans le code fluide (méthode AMR, raffinement de
maillage adaptatif) ;
- adaptation du schéma de couplage à la prise en compte de la viscosité pour la composante fluide eulérien ;
- validation des approches;
- publications, congrès, rédaction du mémoire.
L’accès au supercalculateur TERA représente un des moyens importants sur lequel se fonde la réussite de cette
thèse. Le sujet nécessite des compétences en numérique, analyse numérique, mécanique des matériaux,
mécanique des fluides… Il nécessite également une capacité à interagir avec différents experts de ces domaines.
Ce travail de thèse est intégré dans un projet plus large. En particulier, les développements d’une version
« industrielle » du code seront réalisés par des informaticiens.
Directeurs de thèse Christian MARIOTTI (CEA), co-encadrement avec Ecole des Ponts ParisTech et LIMSI
(Viriginie Daru, Christian Tenaud)
Contact CEA/DAM/Ile de France, Christian MARIOTTI, tél : 01 69 26 40 00
36 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Informatique scientifique,
simulation numérique, modélisation
Sujet Méthodes numériques pour la Fusion par Confinement Inertiel en coordonnées polaires
Contexte Dans le domaine de la simulation numérique, la préservation de la symétrie des écoulements est un
enjeu majeur pour bon nombre d’applications étudiées au CEA. C’est notamment le cas en Fusion par Confinement
Inertiel (FCI) - où l’on cherche à imploser des cylindres et des sphères - domaine dans lequel le respect de la
symétrie est d’autant plus important que les écoulements simulés sont physiquement très instables. Afin de simuler
la FCI de capsules, deux approches peuvent être suivies: l’approche eulérienne (les équations sont discrétisées
dans un repère fixe) et l’approche semi-lagrangienne (les équations sont discrétisées dans le référentiel mobile lié à
la matière et la solution est projetée sur un nouveau maillage lorsque celui-ci est trop déformé). C’est la première
approche qui a été retenue pour le développement de la plate-forme AMR HERA, construite sur la base de
maillages orthogonaux (i,j,k). Dans ce contexte, le système de coordonnées polaires semble être un système de
coordonnées mieux adapté. Le sujet proposé concerne l’analyse et le développement de méthodes numériques
eulériennes avec raffinement adaptatif de maillage pour résoudre des écoulements typiques de la FCI en
coordonnées polaires cylindrique et sphérique (r,θ) sur maillage orthogonal (i,j).
Objectif de la thèse Le travail de thèse comportera plusieurs étapes.
La première étape consistera en une synthèse de l'état de l’art sur la résolution de systèmes d’EDPs en
coordonnées curvilignes et on identifiera les difficultés inhérentes à ce type de changement de coordonnées,
notamment au voisinage du point singulier r = 0.
La seconde étape de la thèse sera consacrée à l’analyse du système de l’hydrodynamique en deux dimensions
d’espace dans le système de coordonnées polaires cylindrique et sphérique.
On développera en particulier des schémas numériques dans le formalisme Lagrange - projection, sur la base de
récents travaux concernant les schémas d’ordre arbitrairement élevé GAIA [1, 2] et GoHy [2, 3], en transposant à ce
type de coordonnées les séquences de splitting directionnel d’ordre élevé mises au point dans [3, 4]. On vérifiera
par expérimentations numériques que l’ordre des schémas est bien celui attendu sur plusieurs problèmes
référencés (implosion de cylindres, sphères, ellipsoïdes ou advection de vortex), y compris sur des maillages dont le
centre pourra être décalé par rapport au point de focalisation.
On mènera, au moins pour les schémas du premier ordre, une analyse de stabilité, laquelle pourra déboucher sur le
développement de nouveaux critères de raffinement adaptatif de maillage permettant de mieux appréhender les
problèmes qui peuvent se poser au voisinage du centre.
Ces schémas seront étendus au cas multi-matériaux sur la base de modèles et de méthodes numériques
référencées (algorithmes de mailles mixtes, de reconstruction d’interface, de transport d’interfaces).
L’ensemble de cette seconde étape constituera le volet le plus original de la thèse et devra conduire à des
publications de niveau international.
La troisième étape sera consacrée à l’analyse et au développement de méthodes numériques permettant de traiter
l’opérateur de conduction thermique en coordonnées polaires. Les développements se feront sur la base des
travaux déjà réalisés au sein de la plate-forme AMR HERA, laquelle dispose de solveurs permettant de résoudre ce
type d’opérateur dans les systèmes de coordonnées cartésiennes (x,y) ou axisymétrique de révolution (r,z), dans le
cas multi-matériaux et avec AMR.
La quatrième étape concernera l'étude du modèle de transport déterministe Pn [5] dans le système de coordonnées
polaires. Une attention particulière sera portée au traitement des termes sources raides, qui deviennent de surcroît
singuliers au voisinage de r = 0. La résolution du système Pn pouvant devenir fort coûteuse, on insistera également
sur le volet performance.
Toutes ces méthodes seront enfin évaluées sur un cas-test typique de la FCI en contexte d'attaque directe. Il s’agira
d’en montrer l’apport sur la préservation de la symétrie lors de la phase de décélération d’une capsule, phase au
cours de laquelle l’interface gaz/coquille devient violemment instable (Rayleigh-Taylor). Les schémas numériques
seront implémentés au sein de la plate-forme AMR HERA et les simulations numériques seront effectuées avec les
moyens de calcul de la DIF.
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
37 / 84
Résultats attendus
– Méthodes numériques robustes et précises en coordonnées polaires.
– Amélioration de la sphéricité pour les calculs d’implosion de sphères, de cylindres, ...
– Publications.
– Communications. Références
[1] Del Pino S. and Jourdren H., Arbitrary high-order schemes for the linear advection and wave equations:
application to hydrodynamics and aeroacoustics, C. R. Acad. Sci. Paris, 342-I, 441–446 (2006).
[2] Heuzé O., Jaouen S. and Jourdren H., Dissipative issue of high-order shock capturing schemes with non-convex
equations of state, J. Comp. Phys., 228 :833-860 (2009).
[3] F. Duboc, C. Enaux, S. Jaouen, H. Jourdren, M. Wolff, High-order dimensionally split Lagrange-remap schemes
for compressible hydrodynamics, C. R. Acad. Sci. Paris, Ser I, 348 :105-110 (2010).
[4] M. Wolff and S. Jaouen and H. Jourdren and E. Sonnendrücker, High-order dimensionally split Lagrange-remap
schemes for ideal magnetohydrodynamics, in Discrete and Continuous Dynamical Systems. Proceedings of the
Porquerolles conference on numerical models for controlled fusion, Porquerolles, France, April 20-24, 2009, AIMS,
(to appear).
[5] B. Davison and J. B. Sykes, Neutron transport theory, International Series of Monographs on Physics, Clarendon
Press, Oxford (1957).
Déroulement de la thèse
Calendrier :
– Bibliographie, état de l’art : 3 mois (+3)
– Propriétés mathématiques, analyse : 6 mois (+9)
– Développement de méthodes numériques : 19 mois (+28)
– Expérimentations - Vers un cas réel : 4 mois (+32)
– Rédaction : 4 mois (+36)
Directeur de thèse A définir
Contact Stéphane Jaouen, DIF/DSSI/SNEC, 01.69.26.40.00
38 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Informatique scientifique,
simulation numérique, modélisation
Sujet Multi-représentations de maillages cellulaires et détermination automatique de la meilleure
représentation pour un algorithme donné
Contexte Dans le domaine du calcul scientifique, les méthodes numériques utilisées pour modéliser un
phénomène physique reposent principalement sur une discrétisation du domaine d’étude en éléments simples
tels que les quadrangles et les triangles en dimension 2 ou les tétraèdres et les hexaèdres en dimension 3. De
manière générale, tout type d’éléments peut être manipulé : en dimension 3, des polyèdres sont nécessaires à la
manipulation de maillages de Voronoi tandis que la prise en compte de maillages mixtes composés de tétraèdres
et d’hexaèdres nécessite des prismes à base triangulaire ou des pyramides à base quadrangulaire pour assurer
la conformité du maillage. Outre les éléments manipulés, les différentes méthodes numériques ou algorithmes de
maillage vont se distinguer par les relations d’adjacence qu’elles nécessitent. A titre d’exemple, certaines
méthodes numériques seront basées sur une boucle itérant sur les nœuds du maillage et nécessitant pour
chaque nœud de connaître les cellules de dimension 3 adjacentes. A l’inverse, un algorithme de lissage
géométrique en dimension 2, pourra itérer sur les faces du maillage et nécessitera pour chaque face de connaître
les nœuds adjacents.
Partant de ce constat, il est possible de définir pour chaque algorithme les dimensions des cellules qu’il doit
manipuler (de 0, les nœuds, à 3, les régions) et les relations d’adjacence et d’incidence qui lui sont nécessaires (i
Æ j, avec i et j valant de 0 à 3). La donnée de ces informations définit un modèle de représentation de maillage.
Par exemple, le modèle de représentation ({2, 1, 0} ; {2Æ0, 2Æ1, 1Æ0, 0Æ1}) décrit un modèle de maillage où
les faces, les arêtes et les nœuds sont présents et les relations d’adjacence des faces vers les nœuds, des faces
vers les arêtes, des arêtes vers les nœuds et inversement sont directement accessibles. Afin de gérer toute
représentation de maillage, la structure de données générique GMDS (Generic Mesh Data Structure) a été
développée au CEA [1]. Implémentée sous forme d’une bibliothèque C++, elle permet à l’aide de la
programmation générique (templates) d’instancier un maillage pour un modèle de représentation particulière. Dès
lors, le développeur sélectionne le modèle de représentation qu’il considère le plus adapté à son besoin.
En se basant sur cette expérience, il est maintenant nécessaire de fournir :
1.
un niveau d’abstraction supplémentaire, noté Abs, où le développeur écrira un algorithme A de manière
générique sur une structuration cellulaire abstraite disposant de toutes les cellules et relations d’adjacence
possibles ;
2. un mécanisme permettant de déterminer le modèle de représentation de maillage optimisant soit la
consommation mémoire, soit les performances en temps d’exécution de l’algorithme A.
3. un mécanisme permettant de traduire un algorithme écrit sur Abs vers un modèle de représentation de
maillage spécifique.
Un tel travail nécessite tout d’abord de déterminer les relations d’inclusion entre les différents modèles de
représentation de maillage, d’analyser dans chacun des cas les différents coûts mémoire et les complexités
relatives aux opérations de consultation et de modifications atomiques de maillage (construction et destruction de
cellules, mise à jour des relations d’adjacence). Ce travail s’intègrera au dessus de la structure de données
GMDS.
Objectif de la thèse Etudier et proposer une solution pour réaliser les points 1, 2 et 3 dans un contexte
séquentiel puis parallèle (mémoire distribuée).
Déroulement de la thèse Partant des nombreux travaux menés sur les structures de données en maillage [2, 3]
et en modélisation géométrique à base topologique [4], la première partie du travail consistera à comprendre
l’inclusion des différentes représentations de maillages pour des représentations dites cellulaires, voire basées
sur des modèles à brins (voir [1] pour la distinction que nous faisons entre ces deux catégories de
représentations). L’étude portera sur l’analyse de la complexité théorique des opérations de base que sont l’ajout
et la suppression de cellules, la consultation et la mise à jour de relations d’adjacence. Cette étude devra se
baser sur un cadre générique permettant la représentation de tout type de maillage cellulaire (tout type de
cellules, tout type de modèle, séquentiel ou parallèle). Ce cadre sera dans un premier temps celui utilisé dans
GMDS.
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
39 / 84
Les fruits de cette étude seront une connaissance exacte des faiblesses et avantages d’un modèle de
représentation de maillage dans le cadre défini. Cette connaissance servira de base à la détermination du
meilleure modèle de représentation de maillage pour dériver un algorithme écrit sur un modèle complet et
générique, mais aussi pour fournir un processus permettant de traduire un algorithme écrit sur un modèle de
représentation vers une autre représentation.
Pratiquement, le déroulement de la thèse sera le suivant :
1.
2.
3.
Première année
a. Etude bibliographique des différents modèles cellulaires et à base de brins ;
b. Compréhension de l’inclusion entre modèles de représentation cellulaire ;
c. Lien entre modèle cellulaire et un ou plusieurs modèles à brins (cartes combinatoires, carte
généralisées, etc.) ;
d. Calcul des coûts mémoire et de la complexité des opérations de consultation et de modification de plus
bas niveau sur la structure GMDS ;
Deuxième année
a. Définition d’une abstraction Abs au modèle de représentation d’un maillage cellulaire ; A priori ce niveau
d’abstraction sera défini au niveau du langage de programmation à l’aide d’interfaces C++, Python ou
autre ;
b. Ecriture d’algorithmes de cas test sur cette abstraction que ce soit en 2D, 3D, séquentielle et parallèle ;
c. Mise en place d’un mécanisme permettant l’analyse de l’algorithme écrit sur l’abstraction Abs et de
choisir quel modèle de représentation retenir selon le coût en mémoire ou la performance en temps
d’exécution.
Troisième année
a. Génération du code sur le modèle de représentation choisi ;
b. Rédaction du mémoire de thèse. Directeur de thèse A définir au laboratoire IRCOM-SIC de l’université de Poitiers.
Contact CEA/DAM/Ile de France B. Scheurer 01.69.26.40.00 Références
[1] F. Ledoux, J.-C. Weill and Y. Bertrand, Definition of a Generic Mesh Data Structure in the High Performance
Computing Context, in Developments and Applications in Engineering Computational Technology, Series 26,
Saxe-Coburg Publications, Chapter 3, pages 49-80, 2010.
[2] R. V. Garimella, Mesh data structure selection for mesh generation and FEA applications, International Journal
for Numerical Methods in Engineering, vol. 55, pages 451-478, 2002.
[3] M.S. Shephard and E.S. Seol, Flexible Mesh Data Structure for Parallel Adaptative Analysis, Advanced in
Computational Infrastructure for Parallel and Distributed Adaptive Applications, pages 1-38, 2007.
[4] P. Lienhardt, N-dimensional generalized combinatorial maps and cellular quasi-manifolds, International Journal
on Computational Geometry and Applications, 4(3), pages 275-324, 1994.
40 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Informatique scientifique,
simulation numérique, modélisation
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 NOÉ, DIF/DSSI/SISR, 01.69.26.40.00
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
41 / 84
Informatique scientifique,
simulation numérique, modélisation
Sujet Etude et développement d’un cache distribué hiérarchique
Contexte Dans le cadre de l’exploitation de grandes installations informatiques comme le centre de calcul
TERA100, des problématiques nouvelles interviennent. Le présent sujet concerne la gestion de caches au niveau
système.
Objectif de la thèse
L’utilisation de « caches » est une technique courante pour optimiser l’accès à différents services (service de
nommage, d’annuaires, métadonnées de système de fichiers, entrées/sorties). Quand le nombre de clients
augmente, il devient nécessaire de distribuer ces caches sur différentes entités, avec des mécanismes garantissant
l’intégrité entre les différents caches. Les topologies des futurs clusters de calcul seront composées de milliers de
machines, organisées hiérarchiquement, sous la forme d’un « cluster de cluster de machines ». Au niveau des
caches distribués, la hiérarchisation des caches vient complexifier les différentes problématiques inhérentes à ce
type d’architecture.
Le sujet de cette thèse consiste à étudier les problématiques liées à un cache distribué et hiérarchique. Plusieurs
axes sont dors et déjà envisageables :
-
politiques de placement des données
garantie de la cohérence entre les différentes sous-entités et les différents caches constituant le cache
distribué hiérarchique
optimisation de l’architecture : étude des effets de différentes politiques de placement et de garantie de la
cohérence sur les performances globales de l’architecture
mesure de la « scalabilité » (possibilité de passage à une échelle supérieure) de l’architecture.
La thèse verra l’élaboration et la mise en place des politiques et des protocoles nécessaires à la construction d’un
cache hiérarchique distribué. Un tel cache sera mis en place dans différents contextes, comprenant au moins un
service d’annuaire de type LDAP et des caches de données et de métadonnées au sein d’un serveur NFS.
Déroulement de la thèse
Une première étape sera constituée d'une recherche bibliographique. Elle impliquera une étude sur les différents
types de cache, qu’ils soient distribués ou hiérarchiques (avec des mécanismes de promotion et de demotion).
Une seconde étape verra la mise en place d’outils de non-régressions destinés à produire différents effets de cache
(défaut de cache, corruption d’un cache par un autre cache), ainsi qu’à produire une modélisation d’un cache
distribué et hiérarchique. Ces outils permettront de voir les qualités et les défauts des différentes approches
Enfin, une étude sera menée pour optimiser le choix d’une approche ou d’une autre ou plus probablement d’un
mélange de différentes approches. On aboutira alors à un démonstrateur de cache hiérarchique et distribué qui sera
validé et testé par le biais des outils précédemment développés puis qui sera intégré dans différents outils
(annuaires LDAP puis serveurs NFSv4).
Directeur de thèse Christine Morin, INRIA Bretagne / Université de Rennes I
Contact Philippe DENIEL, DIF/DSSI/SISR, 01.69.26.40.00
42 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Informatique scientifique,
simulation numérique, modélisation
Sujet : Analyse du comportement de fluides en interaction : application à la projection plasma de
nanomatériaux.
Contexte : Le procédé de mise en forme des nanomatériaux par projection plasma est une voie industrielle qui
permet d’obtenir des dépôts denses épais (de l’ordre de la dizaine de microns, voire plus) sur des pièces
industrielles de forme complexe leur conférant des propriétés améliorées. Ce procédé fait l’objet de recherches
approfondies tant les potentialités industrielles sont nombreuses. La modélisation de ce procédé est une voie
d’investigation riche et complexe : elle requiert de scinder l'écoulement à l'échelle globale du procédé en 4 souszones d'études différenciées qui concernent (1) la zone d'injection de la phase aqueuse porteuse des particules
métalliques ou de céramique dans laquelle le jet continu ou les trains de gouttes viennent pénétrer le jet de plasma
et donner lieu à la fragmentation primaire (2) la zone de fragmentation secondaire dans laquelle on vaporise la
phase porteuse des particules à projeter (3) la phase balistique de parcours des particules fondues ou non jusqu'à la
cible et (4) la phase d'impact et de fabrication du dépôt. La fabrication du revêtement dépend fortement de ces
différentes étapes. Des travaux antérieurs ont permis de mettre au point les outils d’analyse numérique des étapes 1
et 2.
Objectif de la thèse : Ce travail de thèse se consacrera à la poursuite de l’analyse du procédé, en particulier
l’analyse du comportement (thermique, cinétique…) des gouttelettes aqueuses (chargées avec des nanoparticules
de céramique) issues de la fragmentation initiale du jet et des conséquences sur le comportement des
nanomatériaux (thermique, chimique, cinétique…) avant la phase d’impact sur le substrat à revêtir.
Déroulement de la thèse : L’étape qui concerne l'évolution thermocinétique des gouttes et des particules n'a jamais
été caractérisée à petite échelle (celle des particules) et nous proposons de bâtir une modélisation et des outils de
simulation pour la représenter sur des gammes d'échelles allant du micron au millimètre. Pour cela, nous nous
appuierons sur les outils déjà mis en place dans le cadre de l'étape (1), en ajoutant les mécanismes spécifiques liés
au changement de phase liquide/solide, à la mouillabilité sur les particules solides, aux lignes de points triples et à
l'interaction particule/écoulement di/triphasique. Nous nous appuierons sur des travaux récents menés au TREFLE
dans le cadre d'autres thèses qui concernant la simulation des écoulements diphasiques avec ligne triple et
mouillage et l'interaction écoulement/particules mobiles. Des méthodes numériques dites de pénalisation
permettront de représenter les particules solides sur des maillages structurés. Il s'agira de mener des simulations à
une échelle locale au coeur du plasma, à différentes positions radiales, et d'étudier l'évolution thermocinétique des
particules et de la phase porteuse en fonction de cette position. Au final, l'objectif est de mener des statistiques sur
les taux de particules fondues ou non, sur leurs tailles (effet de coalescence) et d'aboutir à des fichiers de tailles de
particules afin de fournir des conditions d'entrée à l'étape (3) (modèles lagrangiens).
Directeurs de thèse : M. Stéphane VINCENT (laboratoire TREFLE, ENSCBP, Université de Bordeaux 1)
Contact : Erick MEILLOT, Le RIPAULT, 02 47 34 40 00, [email protected]
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
43 / 84
Informatique scientifique,
simulation numérique, modélisation
44 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 ILE DE FRANCE
CESTA
VALDUC
Le RIPAULT
GRAMAT
Optique,
Lasers
et
Plasmas
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
45 / 84
Optique, laser et plasmas
Sujet Interaction laser-plasma et effets cinétiques ioniques dans les plasmas de fusion par confinement inertiel par laser
Contexte La réalisation de la fusion par confinement inertiel (FCI) au moyen de lasers de fortes puissances est une
voie potentielle de production d’énergie pour le futur. L’étape de démonstration consiste à produire une énergie
thermonucléaire supérieure à l’énergie laser investie, on parle alors d’ignition. La démonstration de l’ignition
nécessite des lasers de classe mégajoule. Cette démonstration est attendue pour 2012 aux Etats-Unis sur
l’installation National Ignition Facility (NIF) mise en service en 2009 et ultérieurement en France sur l’installation
laser mégajoule (LMJ) qui sera mise en service à partir de l’année 2014. Un nouveau programme européen, HIPER,
se met également en place sur cette même thématique. Dans le cadre de la FCI, l’irradiation du milieu fusible, un
mélange de DT contenu dans une capsule millimétrique, est déclinée suivant deux principes. Soit le milieu est
directement irradié par un grand nombre de faisceaux afin d’assurer une compression la plus symétrique possible
(attaque directe). Soit les faisceaux laser irradient une enceinte entourant le milieu fusible, constituée d’un matériau
de numéro atomique élevé (de l’or par exemple). C’est l’émission X produite par la cavité après absorption de
l’énergie laser qui assure alors la compression. Dans ce schéma d’attaque indirecte, la cavité contenant la cible est
remplie d’un gaz qui une fois ionisé formera un plasma, ce dernier permettant de limiter la détente des parois ce qui
aurait autrement pour conséquence un bouchage des trous d’entrée du laser dans la cavité. Une difficulté majeure
identifiée est que la propagation des faisceaux laser dans le plasma de cavité, puis au niveau de la paroi d’or, est
compromise par des instabilités qui vont diffuser l’onde incidente hors de la cavité, nuisant au rendement attendu.
Ces instabilités de diffusion sont des phénomènes à seuils, sensibles à de nombreux paramètres et associées aux
ondes plamas. Plus particulièrement, la diffusion Brillouin stimulée est associée aux ondes acoustiques ioniques et
la diffusion Raman stimulée aux ondes de plasma électroniques. La diffusion Brillouin est très sensible à la
composition isotopique des plasmas, via l’amortissement des ondes acoustiques ioniques. L’effet Landau est un
mécanisme cinétique d’amortissement non collisionnel. Cet effet se produit sur une échelle plus fine que l’échelle
hydrodynamique qui sert de base à la modélisation des plasmas. De même, la compréhension de l’évolution de
plasmas constitués de plusieurs espèces ioniques nécessite dans certaines circonstances une connaissance plus
fine que celle donnée par les échelles hydrodynamiques, par exemple lors de collisions de plasma ou
d’interpénétration de plasmas.
Objectif de la thèse L’objectif de la thèse est de reconsidérer les approches hydrodynamiques de l’interaction laserplasma à l’aide de modèles théoriques et numériques prenant en compte les effets cinétiques ioniques multiespèces, en régime collisionnel et non collisionnel. Cette physique contrôle les mécanismes fondamentaux comme
l’amortissement des ondes plasma, lui-même contrôlant l’évolution ou le risque lié aux instabilités. De plus, la thèse
permettra de confronter l’approche cinétique à des modèles multi-fluides sur des problèmes fondamentaux liés à
l’hydrodynamique des cavités, comme la détente du plasma de la paroi d’or dans le plasma de cavité.
Déroulement Un travail numérique et théorique est nécessaire avant son application à des expériences
d’interaction laser-plasma et à la FCI. Le laboratoire d’accueil dispose d’un code cinétique ionique résolvant des
équations du type Vlasov-Fokker-Planck, les électrons étant considérés comme un fluide neutralisant décrit par une
équation de transport. Ce code est monodimensionnel en espace et bidimensionnel en vitesse. Il permet dans un
premier temps de travailler sur les mécanismes d’amortissement des ondes ioniques en multi-espèces et avec prise
en compte des collisions, ces ondes étant imposées en conditions initiales. Cet outil permet de répondre à des
questions sur la composition du gaz de cavité pour la FCI et sur l’utilité de parois constituées de plusieurs éléments
pour la réduction de la diffusion Brillouin. Dans un deuxième temps, plusieurs améliorations du code sont à
envisager pour décrire de façon plus cohérente l’excitation des ondes ioniques en présence d’un laser de puissance
avec une réponse hydrodynamique réaliste. Une première étape consisterait à prendre en compte la propagation du
laser et une deuxième étape, plus ambitieuse mais ouvrant la voie à de nombreuses études de physique, serait de
développer une version bidimensionnelle spatiale du code existant. Dans ce dernier cas, un travail numérique est
nécessaire avec prise en compte du parallélisme. Au final, l’outil numérique permettra de tester à la fois la
propagation laser dans un plasma multi-fluide et l’instabilité de diffusion Brillouin en multi-espèce avec un traitement
complet des mécanismes cinétiques. Un couplage avec des électrons cinétiques sera éventuellement abordé en fin
de thèse.
Directeur de thèse Le laboratoire d’accueil CEA travaille en étroite collaboration avec le Centre de Physique
Théorique (CNRS-Ecole Polytechnique) et dispose de nombreux contacts dans le domaine des plasmas chauds, en
particulier avec le CELIA (CEA-CNRS-Université de Bordeaux I).
Contact CEA Pascal LOISEAU, CEA DAM Île-de-France, Bruyères-Le-Châtel [email protected]
46 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Optique, laser et plasmas
Sujet Etude expérimentale du stade fortement non-linéaire de l’instabilité Rayleigh-Taylor au front
d’ablation en fusion par confinement inertiel
Contexte Ce sujet de doctorat s’inscrit dans le cadre des études préparatoires à l’atteinte de l’ignition sur le laser
Mégajoule (LMJ) actuellement en construction au CEA/CESTA près de Bordeaux. L’étude portera plus
particulièrement sur la thématique des instabilités hydrodynamiques de type Rayleigh-Taylor se développant au
front d’ablation. Le développement de perturbations lors de la phase d’accélération et de compression des capsules
de combustible DT est en effet un des facteurs de risque pouvant compromettre l’atteinte de l’ignition en fusion par
confinement inertiel. Alors que les effets de l’ablation sur la phase linéaire de l’instabilité de Rayleigh-Taylor sont
bien connus, les différentes prédictions théoriques sont en désaccord sur leur influence dans la phase non-linéaire
de développement de l’instabilité. L’importance des effets ablatifs est de plus dépendante du schéma d’irradiation
choisi (attaque indirecte ou attaque directe). Il est donc important de confronter les modèles et simulations à des
données expérimentales, et cela pour les deux types de schéma. C’est le sens de la proposition d’expériences
pluriannuelles qui a été retenue au sein du programme d’expériences de science fondamentale amenées à se
dérouler à partir de 2012 sur l’installation laser de puissance NIF (National Ignition Facility) du Lawrence Livermore
National Laboratory (LLNL, USA). En effet, le NIF est actuellement la seule installation laser permettant d’accélérer
des échantillons d’ablateur pendant un temps suffisamment long pour atteindre un stade fortement non-linéaire de
développement de l’instabilité Rayleigh-Taylor. Les données obtenues seront importantes pour la campagne
d’ignition en cours sur le NIF, et la définition de l’ablateur nominal du LMJ.
Objectif de la thèse
Le but de cette thèse est de participer à la préparation, à la réalisation et au dépouillement des expériences prévues
à partir de fin 2011, et pour une durée de 3 ans, sur le NIF. A l’issue de la thèse, l’étudiant sera formé à la
conception d’une expérience sur une installation laser de puissance et plus généralement à la réalisation d’un projet
à l’échelle internationale. Sur le plan de la physique, il devrait avoir acquis une formation solide sur la thématique
des instabilités hydrodynamiques, ainsi qu’une vision d’ensemble sur toutes les problématiques liées à l’atteinte de
l’ignition par laser.
Déroulement de la thèse
La phase amont de préparation repose sur un travail d’ingénierie approfondi visant à définir de façon exhaustive
l’ensemble des paramètres expérimentaux (conditions laser, paramètres cibles, réglages des diagnostics)
nécessaires à la réalisation des expériences. Des déplacements aux USA sont à prévoir lors de la réalisation des
tirs. Le dépouillement des expériences peut nécessiter le développement d’outils informatiques spécifiques (IDL,
Python, …). Selon l’avancement du travail, l’interprétation des expériences sera abordée soit théoriquement, soit
aux moyens de codes de simulations appropriés. Le travail se déroule au sein d’une collaboration internationale
impliquant des chercheurs du CEA DAM, du LLNL et du Laboratory of Laser Energetics (LLE) de l’université de
Rochester (USA). Le lieu de travail sera à Bordeaux (CELIA et/ou CEA/CESTA).
Directeur de thèse
Ludovic Hallo Centre Lasers Intenses et applications (CELIA), Université Bordeaux I –CEA – CNRS
33405 Talence, France
Contact
Alexis CASNER (CESTA\DCRE) 05 57 04 40 00
CEA, DAM , DIF, F-91297 Arpajon et CEA CESTA, BP n°2 33114 Le Barp [email protected]
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
47 / 84
Optique, laser et plasmas
Sujet : Optique ultra-rapide et génération de sources THz
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 proche de quelques centaines
d'attosecondes (1 as = 10-18 s). Par ailleurs, en couplant une onde laser fondamentale avec son harmonique deux, il
est possible d'exciter des composantes optiques dans les régions les plus basses du spectre et de produire des
sources Térahertz (THz). Parce que tout corps a une signature THz qui lui est propre et que les ondes THz sont trés
pénétrantes, l'exploitation de ce domaine spectral trouve des applications immédiates dans la mise au point de
nouveaux systèmes de détection et de sécurité (par exemple détection de cellules cancéreuses, identification de
matériaux explosifs ou encore dispositifs portables de sécurité aéroportuaire). Inversement, à l'autre extrémité du
spectre, ce même schéma de couplage d'ondes permet de générer d'autres sources rayonnant à des fréquences
relativement élevées, proches de 10 PHz.
Objectif de la thèse
L'objet de cette thèse consistera à identifier théoriquement et numériquement les paramètres caractérisant la
propagation non-linéaire d'impulsions laser femtosecondes couplées, qui sont susceptibles d'optimiser aussi bien la
génération de sources THz que le rayonnement à des fréquences très supérieures à celle de l'onde porteuse.
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 l’ionisation
des atomes du milieu. Au cours de sa première année de thèse, il se familiarisera avec les codes numériques de
propagation qui décrivent l'évolution d'un champ laser haute fréquence ionisant un milieu transparent. Il pourra ainsi
vérifier l'existence des phénomènes physiques majeurs qui seront rencontrés tout au long de son travail, comme la
filamentation résultant d'un équilibre dynamique entre auto-focalisation optique et génération de plasma. 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 optimiser le rayonnement THz observé expérimentalement en
couplant une onde laser infrarouge avec son harmonique deux. L'attention sera aussi portée sur les géométries de
faisceaux favorisant l'élargissement maximal du spectre entier. La troisième année sera consacrée à l'écriture
d'articles scientifiques et à la rédaction du mémoire de thèse.
Le doctorant bénéficiera d'un environnement privilégié en exploitant les machines massivement parallèles du CEADAM (CCRT, projets GENCI). 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 Luc Bergé
Contact Luc Bergé. CEA/DIF. Tél : 01 69 26 40 00 E-mail : [email protected]
48 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Optique, laser et plasmas
Sujet Interaction ondes-particules en régime non linéaire et dans un plasma magnétisé
Contexte Ce sujet s’inscrit dans le contexte de la fusion contrôlée, qu’elle soit inertielle ou magnétique. Dans le
schéma par confinement inertiel, on obtient la fusion des noyaux Deuterium-Tritium (D-T) en faisant imploser une
bille de D-T cryogénique placée au centre d'une cavité cylindrique (Hohlraum) à l’aide du rayonnement des parois
induit par un laser. Le Hohlraum est rempli d’un gaz tampon qui s’ionise très rapidement sous l’effet du champ
laser, se transformant ainsi en un plasma qui est le siège d’interactions ondes-particules assez complexes. En
particulier, une partie de l’énergie laser peut être rétrodiffusée à cause d’instabilités paramétriques, telles que la
diffusion Raman stimulée (DRS). Or, une bonne description de la rétrodiffusion Raman nécessite la
compréhension des processus d’interaction entre les électrons du plasma et l’onde électromagnétique générée
par DRS. Ces processus peuvent être affectés par la présence d’un champ magnétique auto-généré dans le
plasma, que l’on a jusqu’à présent négligé. Or, cette problématique a été très étudiée dans le cadre de la fusion
par confinement magnétique, notamment pour le chauffage additionnel des tokamaks, le dépôt de courant, et la
limitation de certaines instabilités. Dans ce contexte, nous souhaitons faire jouer au mieux les synergies pouvant
exister entre fusion inertielle et fusion magnétique, et en particulier entre le CEA/DIF et le Plasma Science and
Fusion Center du Massachusetts Institue of Technology, pour aborder les problèmes d’interaction ondesparticules que nous avons en commun.
Objectif de la thèse Le principal objectif de la thèse est d’obtenir la description la plus précise et la plus complète
possible de la diffusion Raman stimulée, ainsi que la mise en relation des résultats obtenus dans ce domaine
avec les problématiques liées à la fusion magnétique.
Il s’agit donc, en particulier, de généraliser les résultats non linéaires déjà obtenus en considérant des géométries
plus réalistes pour la fusion par confinement inertiel, et en tenant compte du champ magnétique. Par ailleurs, on
s’intéressera à l’extension de certains de nos résultats, concernant notamment le transfert d’énergie et de
moment des ondes aux particules via l’effet Landau, à des situations pertinentes pour la fusion magnétique.
Déroulement de la thèse
La première étape de la thèse consistera en un état des lieux de la complexité supplémentaire introduite par la
prise en compte d’une géométrie tridimensionnelle et d’un champ magnétique.
Dans un deuxième temps, une fois le problème bien posé, on essaiera de généraliser les équations d’enveloppe
du Raman déjà résolues numériquement en y incluant plus de physique. On s’attachera aussi à décrire de
manière plus précise le dépôt de courant ou d’énergie dans un tokamak dans le régime non linéaire.
Dans un troisième temps, on comparera les prédictions théoriques ou numériques aux résultats expérimentaux.
Directeur de thèse Didier Bénisti
Contact Didier Bénisti. CEA/DIF. Tel : 01 69 26 40 00 email : [email protected]
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
49 / 84
Optique, laser et plasmas
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 radiographie de processus
hydrodynamiques et électromagnétiques ultra-rapides, en passant par la validation de modèles de physique
atomique ou la mise au point de nouvelles techniques de traitement oncologique. 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 de la thèse 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, partant, 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.
Déroulement de la thèse Dans un premier temps, nous considérerons une configuration d’interaction académique
caractérisée par l’interaction d’une onde plane laser avec un plasma homogène (de 1D à 3D) avec ou sans ions
mobiles et collisions. Le maillage sera finement résolu pour tenir compte de l’ensemble des processus instables
potentiellement influents (notamment l’instabilité acoustique ionique, qui se développe à l’échelle de la longueur de
Debye, et quelque peu négligée à ce jour). Des simulations plus académiques encore, ne décrivant que la relaxation
d’une distribution électronique proche de celle créée par laser, seront également réalisées pour discriminer plus
aisément les mécanismes en présence. Leur analyse fera appel aux dernières avancées théoriques en matière
d’instabilités faisceau-plasmas relativistes.
Les résultats obtenus lors de cette première partie nous aideront à interpréter des simulations plus réalistes, tenant
compte des inhomogénéités du laser et de la cible. Celle-ci pourra éventuellement inclure un guide conique à même
d’affecter la génération des électrons ainsi que la première phase de leur transport. Une estimation fiable de
l’efficacité de couplage de l’impulsion laser incidente avec les régions les plus denses de la cible nécessitera de
modifier les conditions aux limites transverses électromagnétiques du code CALDER. De même, l’accès à des
densités de l’ordre de 1000nc (où nc est la densité surcritique) imposera, pour une meilleure conservation de
l’énergie, une augmentation du facteur de forme des macro-particules, ou le recours à un schéma hybride PIC/MHD
développé parallèlement dans le cadre d’un contrat post-doctorat.
Les compétences acquises par le doctorant au terme de cette thèse porteront aussi bien sur la modélisation de
l’interaction laser-plasma et faisceau-plasma en régime relativiste que sur le calcul haute performance. Le doctorant
sera aussi amené à présenter ses travaux lors de communications orales et écrites.
Directeur de thèse G. Bonnaud
CEA , INSTN, Centre de Saclay , 91191 Gif-sur-Yvette, France [email protected]
Contact L. Gremillet 01 69 26 40 00 [email protected]
50 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Optique, laser et plasmas
Sujet Interaction de faisceaux laser nanosecondes sur des surfaces métalliques : mécanismes de
formation de nanoparticules
Contexte
Ce sujet de doctorat s’inscrit dans le cadre des études préparatoires à l’atteinte de l’ignition sur le laser Mégajoule
(LMJ) actuellement en construction au CEA/CESTA. Un deuxième objectif consiste en l'élaboration de matériaux
spécifiques, ou en leur traitement. La formation de nanoagrégats dans un plasma créé par laser a déjà été
abordée par l’équipe Laser et Traitement des Matériaux (LTM) de l'Université de Bourgogne. Le Centre d’Etude
des Lasers Intenses et Applications (CELIA) – UMR 5107 de l'Université Bordeaux 1 a complété les observations
expérimentales par des simulations sur les conditions de formations des nanoparticules.
Objectif de la thèse
L'étude proposée dans le cadre de cette thèse se place dans la continuité de ces travaux. L'objectif est d’étudier
la dynamique de formation et d'expansion d'un plasma en détente, dans le but de mieux comprendre les
mécanismes de formation de ces nanoparticules. Il se décomposera en deux parties, un travail plus expérimental
qui devrait avoir lieu en partie dans les locaux de l’équipe LTM à Chalon sur Saône et une partie de modélisation
à Bordeaux au CELIA, en collaboration avec le CEA. A la fin de ce travail nous comptons ainsi comprendre
comment les parois d'un réacteur utilisant la fusion vont être ablatées de tir en tir, et quelles peuvent être les
mesures de protection à mettre en place.
Déroulement de la thèse
1 – Aspect expérimental de la caractérisation de la plume laser
Cette partie du travail sera faite en utilisant les moyens expérimentaux du LTM. On utilisera également des
diagnostics externes aux deux laboratoires, tels que le sondage in situ de la plume laser formée au dessus de
cibles métalliques à l’aide du faisceau synchrotron à SOLEIL (Saclay). Une telle expérience va être conduite très
prochainement dans le cadre d'une coopération entre nos deux laboratoires et l'Institut de Physique de Rennes.
Enfin à plus long terme, nous nous intéresserons à l'environnement proche du plasma détendu et à la formation
de nanoparticules.
2 - Modélisation de la dynamique du plasma détendu
Ce travail sera mené au CELIA en collaboration avec le CEA. Un certain nombre de modèles permettant de
restituer des expériences de génération de nanoparticules ont déjà été réalisés, validés et doivent être étendus
pour prendre en compte de la cinétique chimique de formation des nanoparticules. A partir des observations et
des mesures issues de l'expérimentation, nous souhaitons développer une modélisation des mécanismes de
formation et de détente du plasma et de la formation des nanoparticules.
Directeurs de thèse et contacts
Thèse en co-tutelle Université Bordeaux 1 / Université de Bourgogne, demi-financement CEA – Région
Bourgogne, en collaboration avec CEA/DPTA
Ludovic Hallo, CELIA, [email protected]
Jean-Marie Jouvard / Luc Lavisse, LTM, [email protected]
Patrick Combis, CEA/DPTA, [email protected] Sujets de thèse 2011
CEA DAM
51 / 84
Optique, laser et plasmas
Sujet Etude expérimentale du transport d'électrons rapides dans les plasmas denses
Contexte
L'objectif du projet européen HiPER est de réaliser à l'aide de faisceaux lasers énergétiques la fusion par
confinement inertiel d'une cible de Deuterium-Tritium (DT) afin d'en retirer un gain substantiel en énergie. Sa
faisabilité repose en partie sur le schéma d’Allumage Rapide qui permettrait d’atteindre des gains d’énergie
élevés à moindre coût laser en comparaison d'un allumage basé exclusivement sur la compression. Le schéma
d'allumage auquel nous nous intéressons implique l’utilisation d’un jet d’électrons relativistes généré par des
impulsions laser intenses, délivrée pendant seulement quelques picosecondes et focalisées à des intensités
>1018 W/cm2. La maîtrise de ce schéma repose entre autres sur une compréhension détaillée des mécanismes
régissant la propagation de ces jets dans la matière dense.
Objectif de la thèse
Le travail de thèse proposé est principalement expérimental. Le but est d’étudier avec précision le pouvoir d’arrêt,
le guidage/divergence des jets d’électrons rapides dans les plasmas denses (différents densités, températures,
conductivités). Une expérience typique comprend la création de plasmas denses par compression laser, puis
l’accélération d’électrons rapides avec une impulsion laser de haute intensité. Pour la diagnostiquer, les
techniques utilisées sont l’imagerie visible résolue en temps, la spectrométrie et imagerie X, les radiographies X
et protonique, l’interférométrie visible, ainsi que la spectrométrie électronique. Ces études seront menées suivant
diverses géométries de compression, dans plusieurs régimes plasmas, et pour différentes intensités de courant
d’électrons. Pour y parvenir, on fera appel à l’utilisation de différentes installations laser. Quelques expériences
sont d’ores et déjà planifiées pour l’année 2011-2012 : i) compression 1D et pouvoir d’arrêt collectif (acceptée sur
Titan, LLNL-USA), ii) glissement d’un choc laser autour d’un cône et sa survie, stabilité de la source vis-à-vis des
perturbations hydrodynamiques (acceptée sur LULI2000, LULI-France), iii) spectroscopie X de haute résolution
spatiale et spectrale d'un jet d’électrons (soumise sur ELFIE, LULI-France), iv) transport électronique sur des
cibles filaires (soumise sur PHELIX, GSI-Allemagne).
Déroulement de la thèse
L’étudiant intégrera l’équipe « Sources X Plasmas et Ions » du CELIA. Une partie significative des expériences
sera menée sur les grandes installations européennes, américaines ou japonaises, dans le cadre des groupes de
travail internationaux fédérés autour de HiPER. L’étudiant sera amené à apprendre à dimensionner et à opérer
une série de diagnostics basés sur l’émission propre des cibles (rayonnement visible, UV et X). Il sera
responsable de l’analyse et l'interprétation de données expérimentales ainsi que du développement des outils
numériques associés. Il sera aussi amené à collaborer sur la modélisation numérique de la compression des
cibles et de la génération et du transport de courants intenses d’électrons rapides dans la matière. Ce travail sera
effectué en collaboration avec le groupe Fusion du CELIA, dirigé par V. Tikhonchuk, ainsi qu’avec le groupe de L.
Gremillet (CEA/DIF) et le groupe de J. Honrubia (Univ. Polytechnique de Madrid).
Directeur de thèse Prof. V. Tikhonchuk (HDR), Dr. João Jorge Santos, Dr S. Hulin
Contact CEA/DAM/CESTA 05 57 04 51 44 52 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Optique, laser et plasmas
Sujet Développements de nouveaux moyens de caractérisation de grandes optiques dans l’UV.
Modélisation de la propagation d’un faisceau laser de puissance perturbé par ces optiques
Objectif de la thèse L'objectif est de compléter notre parc de moyens de métrologie afin d'accéder à l'ensemble
du "spectre" des défauts potentiels d'un composant optique laser par des mesures directes de phase et par des
mesures de l'effet sur le champ diffracté.
Il s’agit donc de mettre en œuvre sur un banc type « onde plane » préexistant les capteurs optiques adéquats. On
pense notamment à un analyseur de front d’onde de type Schack-Hartmann, un analyseur de diffraction de type
Miroma et une imagerie de champ proche. L’imagerie en champ lointain existe déjà mais pourra être améliorée.
La redondance de tous ces capteurs permettra de garantir notre capacité à mesurer l’ensemble des défauts et à
mieux comprendre leurs effets dans une chaîne laser et donc d’adapter nos spécifications au plus juste besoin.
Trois défauts particuliers justifient ce besoin à moyen terme :
•
Les défauts de phase millimétriques dans les réseaux holographiques sont délicats à mesurer avec nos
moyens actuels, or ces défauts sont critiques du point de vue de la tenue au flux des chaînes laser.
•
Les défauts dits d’aspect (piqûres, rayures,…) sont généralement contrôlés via une inspection visuelle. Il est
difficile de faire un lien entre ce qui est mesuré lors de ces contrôles (dimensions latérales du défaut) et l’effet
optique sur l’onde laser. Des mesures de phase ou de champ diffracté sur ces défauts d’aspect permettront
d’améliorer la modélisation de leur impact en termes d’endommagement laser et donc de mieux justifier nos
spécifications.
•
Les endommagements laser
Une fois qu'on disposera des moyens de caractérisation adéquats, on s'attachera à définir des modèles simples à
partir des mesures réalisées. On pourra soit modéliser les défauts eux-mêmes en termes de masques de phase et
d'intensité qu'on pourra ensuite injecter dans un code de propagation laser, soit modéliser directement les effets
(surintensités mesurées directement dans différents plans de propagation). Par exemple, l'objectif final dans le
cadre des défauts d'aspect est de réussir à corréler une quantité facilement observable (largeur d'une rayure,…) à
une quantité pertinente en termes d'exploitation de chaîne laser de puissance (surintensité,…).
Directeur de thèse Jérôme NEAUPORT, CEA CESTA
Contact Stéphane BOUILLET - CEA/DAM/CESTA - 05 57 04 51 44 Sujets de thèse 2011
CEA DAM
53 / 84
Optique, laser et plasmas
Sujet Etude et validation d’un modèle aux moments pour le transport de particules dans des milieux
fortement hétérogènes
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 ou 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 il 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. Le 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.
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.
Directeur de thèse Bruno DUBROCA, Université Bordeaux I
Contact Bruno DUBROCA – CEA CESTA – 05 57 04 40 00
54 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Optique, laser et plasmas
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 fortes intensités. Ces particules ouvrent en effet 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 actuelles
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. Plus précisément, ces faisceaux de particules sont
des mécanismes clés dans le cadre de la Fusion par Confinement Inertiel pour la production d’énergie. Ils pourraient
permettre de considérablement réduire l’énergie à invertir et par la même, de diminuer considérablement 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 pourraient 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 Vladimir TIKHONCHUK, Université Bordeaux I
Contact Philippe NICOLAI – CEA CESTA – 05 57 04 40 00
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
55 / 84
56 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 ILE DE FRANCE
VALDUC
Le RIPAULT
CESTA
GRAMAT
Physique de la
Matière Condensée
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
57 / 84
Physique de la matière condensée Physique de la matière
condensée
Sujet Etude à l’échelle atomique de l’effet du déplacement atomique induit par des irradiations aux ions
lourds dans la dégradation des propriétés des composants électroniques
Contexte - Les irradiations aux ions lourds (« Swift Heavy Ion »-SHI) de composants microélectroniques peuvent
entraîner différentes sortes de dégradations qui pour la plupart sont caractérisées par une augmentation du courant
de fuite au travers des couches isolantes du composant. Ces effets auront des conséquences négatives sur la
durée de vie et la fiabilité du composant. La cause de ces effets est le déplacement atomique consécutif à l’impact
de l’ion lourd. Il a notamment été montré que le SHI peut même induire des claquages du matériau diélectrique
(appelé oxyde de grille) servant de couche d’isolation dans le composant (ces phénomènes sont appelés « SingleEvent Gate Rupture »-SEGR ou « Single-Event Dielectric Rupture »-SEDR). Le dépôt d’énergie linéique de la
particule (« Linear Energy Transfer »-LET) a été identifié comme étant le paramètre principal contrôlant le
SEDR/SEGR. Les effets dus au SHI varient selon le procédé de fabrication et la nature de l’oxyde. En effet,
différents autres paramètres vont rentrer en ligne de compte : épaisseur de l’oxyde, dopage (Chlore, Germanium…),
taux d’humidité (oxyde sec ou humide), recuits, procédé de fabrication... Malgré le fait que ces phénomènes aient
été étudiés expérimentalement de manière intensive ces dernières années, une compréhension claire de leur
déroulement n’a jamais été mise en place. La simulation à l’échelle atomique peut fournir une réponse détaillée sur
les processus de déplacement atomique. Elle peut permettre d’étudier la dynamique du déplacement atomique et de
mesurer le rayon d’influence (la trace) de l’ion incident. De plus, l’utilisation de méthodes quantiques de type ab
initio nous permet d’accéder à la variation de la structure électronique au cours des déplacements. Cette structure
est très importante car la création de certains défauts va changer fondamentalement les propriétés isolantes de
l’oxyde en introduisant des niveaux plus ou moins profonds dans la bande interdite. Ce sont ces niveaux, selon leur
répartition et leur nature, qui peuvent créer des canaux de courant de fuite et conduire au claquage.
Objectif de la thèse - Cette thèse a pour objectif de caractériser à l’échelle atomique les phénomènes physicochimique à la base du SEDR/SEGR afin d’améliorer le durcissement de composants soumis à des irradiations et
ceci aussi bien dans les matériaux actuellement utilisés comme oxyde de grille en microélectronique (SiO2, HfO2)
que dans les matériaux des prochaines générations (Al2O3, La2O3). Les travaux seront effectués en lien direct avec
d’autres échelles de simulation (simulation Monte Carlo ou modèle continue) et avec des expériences.
Déroulement de la thèse Les travaux de thèse se déclinent comme suit :
- une première étape consiste à construire des cellules de simulation de grandes tailles. Elles serviront à effectuer
des calculs de dynamique moléculaire classique afin de mesurer le rayon des traces et leurs effets sur la structure
du matériau. Les matériaux testés seront les suivants : SiO2, HfO2, Al2O3, La2O3. Un soin tout particulier sera dédié
à la génération de la cellule de SiO2, puisque celle-ci est amorphe contrairement aux autres qui sont cristallines.
- La deuxième étape se situera au niveau quantique : des simulations de dynamique moléculaire ab initio dans le
cadre de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT) seront menées afin de simuler là aussi les effets de
déplacement atomique. En fonction de l’énergie de l’ion incident, un recensement des défauts générés au cours de
la simulation sera effectué. De plus, l’effet des déplacements atomique, c’est-à-dire de la création de défauts, sur les
propriétés électroniques du matériau (variation du gap, introduction de niveau dans le gap, etc.) sera
particulièrement observé. L’influence du dopage ou de la présence d’humidité par ajout d’atomes dans la cellule
sera aussi regardée. Les structures de défauts seront ensuite étudiées de façon indépendante afin d’obtenir leurs
propriétés électroniques et optiques précises en utilisant des méthodes ab initio allant au-delà de la « DFT » c’est-àdire au-delà des propriétés d’état fondamental. Les méthodes utilisées seront par exemple les fonctionnelles
hybrides, les méthodes GW et les méthodes de résolution de l’équation de Bethe-Salpeter.
- Une dernière étape sera consacrée à des calculs de transport dans les structures atomiques simulées dans la partie
précédente, mise en contact avec des électrodes métalliques. Ces calculs permettront d’obtenir des courbes
courant/tension afin d’évaluer le courant de fuite les traversant et de le comparer à des mesures expérimentales.
La validation des simulations sera faite, pour chaque étape, par comparaison à d’autres modèles de simulation
utilisés dans le laboratoire pour le calcul du LET (SRIM ou GEANT4 par exemple) ainsi qu'aux expériences menées
dans le laboratoire ou par la communauté des effets des radiations dans les composants. Cela permettra de calibrer
des modèles de traces d’ions dans les codes ingénieurs utilisés pour le durcissement des composants
microélectroniques.
Directeur de thèse : N.C.
Contact Nicolas RICHARD - CEA/DAM/Ile de France - 01 69 26 40 00
58 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Physique de la matière condensée
Sujet Etudes des propriétés physico-chimiques d’un explosif chimique solide 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.
Objectif de la thèse Le sujet de thèse proposé concerne l’étude des propriétés thermodynamiques et chimiques
d’un explosif solide 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 poursuivre l'optimisation d'un potentiel d'interactions spécifique qui
reproduise correctement les propriétés thermodynamiques d’un explosif solide (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 grande 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). Cette phase solide est aujourd’hui
modélisée par l’introduction d’une mésoparticle au sein de la phase fluide, qui reproduit à moindre coût les
propriétés d’agrégats de carbone. 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 mésoscopiques réactives, afin d’en extraire les caractéristiques principales (code Stamp et modèle
DPD). Plusieurs simulations préliminaires ont déjà été effectuées.
Enfin, une dernière partie consistera à étudier différents aspects des propriétés de détonation d’un explosif solide.
Deux thèmes seront en particulier abordés. Le premier concernera l’interaction d’un solide défectueux avec une
onde de choc (crée par laser ou par un choc mécanique), impliquant la formation de points chauds où l’énergie est
déposée préférentiellement. Le second, plus prospectif, concernera le développement et l’application 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.
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, modélisation mésoscopique).
J.-B Maillet ([email protected]) 01 69 26 40 00
E. Bourasseau ([email protected]) 01 69 26 40 00
Directeur de thèse J.-B Maillet
Contact J.-B Maillet ([email protected]) 01 69 26 40 00
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
59 / 84
Physique de la matière condensée
Sujet Nouvelles approches résolues en temps pour déterminer expérimentalement le diagramme de phase
du fer en conditions extrêmes
Contexte Au cours de cette dernière décennie, le couplage de la génération de pression dans une presse à
enclumes de diamant avec des mesures auprès de synchrotrons de 3eme génération a permis d’envisager une
détermination complète du diagramme de phase de nombreux métaux jusque dans le domaine des 200 GPa. Le
cas du fer permet d’illustrer l’état de l’art de ces mesures et de souligner aussi les problèmes qu’il faut encore
résoudre pour pouvoir tester des calculs ou informer de manière fiable des applications. Le fer est le composant
principal du noyau de la Terre (Pmax=360 GPa=3.6x106 atm.) et des planètes telluriques, et est également présent
au cœur des planètes géantes (Pmax= 1000 à 5000 GPa). Depuis 30 ans, la recherche du point de fusion du fer à
330 GPa (pression au-delà de laquelle le noyau terrestre est solide) a agi comme un véritable aiguillon pour
développer des techniques expérimentales permettant de produire de telles conditions en laboratoire. Parmi elles, la
cellule à enclumes de diamant chauffée par laser infrarouge, qui permet l’observation visuelle directe de la fusion de
l’échantillon. Mais aucun consensus n’a émergé des études de la fusion du fer, en particulier parce que les points de
fusion mesurés en cellule à enclumes de diamants étaient notablement inférieurs à ceux obtenus par compression
dynamique par onde de choc [1]. La détermination de l’équation d’état est aussi une donnée importante pour
contraindre la concentration d’éléments légers dans la graine et nous avons montré que la compression du fer sous
conditions hydrostatiques était nécessaire pour obtenir une estimation fiable [2]. Enfin, le fer est un métal de
transition intéressant à cause du moment de spin des atomes. L’influence de l’ordre magnétique sur l’équation d’état
et la disparition du magnétisme sous pression sont encore discutées [2,3].
Objectif de la thèse Le sujet de cette thèse est d’étendre le domaine thermodynamique des mesures sur le fer
jusque dans le domaine des 350 GPa et de faire les mesures les plus complètes et fiables possibles en utilisant
différentes lignes de lumière du synchrotron European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) sur lesquelles nous
développons de nouvelles approches, principalement la diffraction de rayons X et la spectroscopie d’absorption X. a)
Nous avons développé une technique permettant la détermination des diagrammes de phase des matériaux sous
haute pression et haute température [4]. Elle est basée sur le couplage de la cellule à enclumes de diamants
chauffée par laser infrarouge et de la diffraction de rayons X intenses à l’ESRF (ligne ID27). Récemment,
l’application de cette technique au tantale nous a permis de mesurer des points de fusion nettement plus élevés que
ceux qui avaient été obtenus par la technique d’observation visuelle directe [4]. La différence entre nos mesures et
les mesures précédentes pourrait être liée à des réactions chimiques auparavant non détectées. Nous nous
proposons, au cours de cette thèse, d’appliquer cette méthode au fer pour déterminer la courbe de fusion du fer
jusqu’à 300 GPa. b) En complément de cette étude, nous développerons une nouvelle approche de chauffage
ohmique rapide de l’échantillon dans la presse à enclumes de diamant qui permettra d’atteindre le domaine de 1–
2 eV (10 à 20000 K) en 1 ms. Le diagnostic de spectroscopie d’absorption des rayons X (EXAFS), qui est très
rapide (échelle de la s à la ms) lorsqu’il est réalisé de manière dispersive (ligne ID24 de l’ESRF), est
particulièrement adapté. Nous venons de démontrer la faisabilité de la mesure des modifications structurales d’un
échantillon sous une rampe de température quasi-isochore autour de la densité ambiante jusque dans le domaine
de l’eV. Cette technique permet d’atteindre des températures plus élevées dans la cellule à enclumes de diamants,
mais aussi parce qu’étant transitoire, elle permet de limiter les réactions chimiques entre l’échantillon et son
environnement.
Déroulement de la thèse Le travail de cette thèse s’appuiera donc fortement sur les avancées techniques du
laboratoire pour l’étude de la matière sous conditions extrêmes. L’étudiant sera formé à ces techniques et les
appliquera pour l’étude du fer. Un travail très rigoureux d’analyse de données devra être fait. Une discussion critique
de la littérature devra mettre en perspective ce travail et montrer sa pertinence. La maîtrise de ces expériences
résolues en temps devrait permettre à l’étudiant d’acquérir un savoir faire qui lui permettra de dimensionner des
expériences adaptées pour utiliser les nouvelles possibilités offertes par les XFEL (laser X à électrons libres)
comme celui de DESY à partir de 2014. Ces expériences en temps résolues à l’ESRF sont très ambitieuses. Pour
que l’étudiant ait aussi une activité expérimentale plus indépendante, la synthèse par pression de nouveaux
composés de fer pourra être explorée. La spécificité de notre laboratoire est de pouvoir mettre sous pression des
gaz avec des métaux. La réactivité du fer sous pression avec des molécules simples, H2, O2, N2, CO2, NH3 sera
étudiée. Cette synthèse de nouveaux composés par pression est un domaine quasi-inexploré. Une étude
systématique devrait être payante.
Références : [1] Nguyen and Holmes, Nature 427, 339, 2004 ; [2] Dewaele et al. Phys. Rev. Lett. 97, 215504 (2006) ; [3] Mathon
et al., Phys. Rev. Lett. 93, 255503, 2004 ; [4] Dewaele et al. Phys. Rev. B 76, 177106 , 2007; Dewaele et al. Phys. Rev. Lett. 104,
255701 Directeur de thèse Paul Loubeyre - CEA/DAM/DIF/DPTA/SPMC/LHPS
Contact : Agnés DEWAELE - CEA/DAM/DIF/DPTA/SPMC/LHPS
60 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Physique de la matière condensée
Sujet Détermination théorique et expérimentale de la 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 à enclume de 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 celle 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.
Objectif de la thèse Nous proposons de poursuivre ces travaux au sein d'une thèse et d'étudier notamment la
fusion des métaux de transition, domaine 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 libre de Gibbs. 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 soit en étudiant le
déplacement de l'interface d'un barreau, moitié solide moitié liquide (méthode dite de l'interface).
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 : Paul LOUBEYRE (CEA/DAM/Ile de France)
Contact J. BOUCHET CEA/DAM/Ile de France 01 69 26 40 00
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
61 / 84
Physique de la matière condensée
Sujet Etude des premiers stades de l’oxydation des surfaces d’actinides : rôle des corrélations
électroniques
Contexte La série des actinides montre une grande richesse de comportements électroniques et structuraux. Cette
série peut être schématiquement 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 des supercalculateurs disponibles à la Direction des applications militaires tels que
TERA et le CCRT.
Nous proposons, dans le cadre de cette thèse, d'étudier l'influence des corrélations électroniques sur la réactivité
des surfaces d'actinide. Au moyen de calculs ab initio, le candidat s'intéressera en particulier aux premiers stades
de l'oxydation. Dans le même temps une systématique sera à envisager pour déterminer l'influence de ces
corrélations sur les propriétés structurales et électroniques des oxydes d'actinides massifs. Celles-ci jouent, par
exemple, un rôle important dans UO2 alors qu'elles n'apparaissent pas dans le métal. Les causes de ce
comportement restent un sujet ouvert et nécessitent un effort théorique conjugué à la simulation.
Objectif Nous avons récemment étudié les oxydes de plutonium PuO2 et Pu2O3 aux moyens de ces méthodes et
nous proposons, dans le cadre de cette thèse, d'étudier l'influence des corrélations électroniques le long de la série
des oxydes d'actinides légers (de ThO2 jusqu’à AmO2). Le candidat pourra mettre en œuvre les méthodes énoncées
ci-dessus et s'attachera à discuter leur efficacité. L'évolution des propriétés magnétiques (ferro, antiferro ou
paramagnétique) le long de la série sera aussi envisagée.
Ce travail de thèse se poursuivra par l'étude de l’influence des corrélations électroniques sur la réactivité des
surfaces d'actinides, et en particulier d’oxydes d’actinides massifs. Le travail fourni, faisant appel à des calculs ab
initio, permettra de répondre à de nombreuses questions qui sont aujourd'hui discutées : réactivité de surface
exacerbée en fonction du changement de degré d'oxydation de l'actinide présent en surface ainsi que la stabilisation
de ces surfaces en fonction de l'environnement thermodynamique extérieur.
Une forte compétence en physique du solide est requise tant au niveau théorique qu'au niveau matériaux. Un goût
pour la programmation serait souhaitable dans le cadre de cette étude.
Ce travail aura de nombreuses retombées dans l’industrie du nucléaire civil et donnera lieu à des collaborations.
Directeur de thèse F. JOLLET (CEA/DAM/Ile de France)
Contact G. JOMARD CEA/DAM/Ile de France 01 69 26 40 00
62 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Physique de la matière condensée
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 ainsi qu'une équation d’état valable pour les forts taux
d’expansion. Il faudra pour conclure procéder à des essais permettant de valider l’approche calculatoire (en
détonation sphérique par exemple).
Directeur de thèse : Laurent Catoire – Université Orléans/ Bourges - ICARE
Contact : CEA/DAM/Gramat : Laurent Munier – tél : 05 65 10 54 32
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
63 / 84
Physique de la matière condensée
Sujet Amorçage de la détonation des explosifs fortement hétérogènes : cas d’explosifs
homogènes en présence de particules non réactives. Simulations par calculs hautes
performances.
Contexte La littérature dans le domaine de la détonique se focalise majoritairement sur l’amorçage en détonation
des explosifs à usage dans les armes 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
l'échelle mésoscopique 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 CEA Gramat 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)
Contact CEA/DAM/Gramat : Gérard Baudin 05 65 10 54 32 64 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 ILE DE FRANCE
VALDUC
Le RIPAULT
CESTA
GRAMAT
Physique
Nucléaire
Sujets de thèse 2011
CEA DAM
65 / 84
Physique nucléaire
Sujet Contribution à la mise en place, à la réalisation, et à l'analyse des données de rendement de fission
issues de l'expérience SOFIA au GSI
Contexte
La fission nucléaire, bien que découverte il y a maintenant 70 ans, reste relativement mal connue. La connaissance
précise des rendements de fission contribue de manière déterminante à la compréhension du mécanisme de fission.
D'autre part, une plus grande précision sur ces données permettrait une simulation plus aboutie, par les codes de
calcul, du fonctionnement des réacteurs nucléaires. Les rendements de fission restent encore aujourd'hui,
relativement mal connus de par la difficulté à les mesurer avec précision. L'expérience SOFIA (Studies On FIssion
with Aladin) menée dans le cadre d'une collaboration internationale est extrêmement innovante et permettra de
mesurer ces données nucléaires avec une précision sans équivalent. Cette expérience sera réalisée au GSI, en
Allemagne, au début 2012.
Objectif de la thèse
Il s'agit là d'un travail de thèse complet qui intègre plusieurs composantes :
- une partie instrumentation pour la mise en place du système de détection, la maîtrise de l'électronique associée
- une composante où la maîtrise de l'outil informatique est indispensable : l'analyse d'une partie des données
recueillies pendant la campagne de mesure
- une phase qui nécessitera l'interprétation de ces données dans les cadres des modèles théoriques mis en place
au CEA de Bruyères le Châtel notamment.
Déroulement de la thèse
Les premiers mois de la thèse seront consacrés à la préparation de l’expérience qui aura lieu au début 2012.
L’étudiant devra acquérir des compétences en physique des détecteurs employés lors de l’expérience. Il se
familiarisera aussi avec l’électronique associée et le système d’acquisition des données à recueillir.
Une fois l’expérience réalisée, l’étudiant aura à effectuer l’analyse d’une partie des données obtenue. Cette analyse,
complexe, nécessitera 18 mois de travail environ. La dernière année sera consacrée à l’interprétation théorique de
ces données ainsi qu’à l’élaboration du mémoire de thèse.
Directeur de thèse
Laurent Tassan-Got, IPN Orsay
Contact : Julien TAIEB, CEA/DAM/DIF, Tel : 01 69 26 40 00
66 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Physique nucléaire
Sujet Description des états excités des noyaux au moyen de la synthèse d'approches au-delà du champ
moyen
Contexte La compréhension de la structure nucléaire bénéficie de la comparaison théorie-expérience. Des
observables telles l’énergie de liaison (défaut de masse) ou les déformations intrinsèques du noyau dans son état
fondamental sont accessibles théoriquement par des méthodes microscopiques fondées sur l’approximation de
champ moyen. En revanche, la reproduction des états excités, i.e. leurs énergies d’excitation et leurs
décroissances, nécessite d’aller au-delà de cette approximation. A partir de calculs microscopiques de champ
moyen, Il existe deux types d'approches pour décrire les états excités nucléaires : la GCM (méthode des
coordonnées généralisées) et la QRPA (quasiparticle random phase approximation). Ces deux approches diffèrent
par le choix des hypothèses, néanmoins elles restent complémentaires. Suivant le système nucléaire étudié, on est
souvent contraint de choisir entre les deux descriptions. Parfois aucune des deux ne fournit de résultats
satisfaisants du point de vue comparaison expérience/théorie.
Objectif de la thèse Un modèle théorique capable de décrire tous les états excités de tous les noyaux avec la
même qualité est un but difficile à atteindre. Une synthèse des deux approches précitées serait une avancée
majeure vers un modèle unifié.
Déroulement de la thèse Dans un premier temps, il convient de bien déterminer les domaines de validité de
chaque approche et de comparer qualitativement les résultats obtenus par chacune d'elles pour des systèmes
nucléaires répondant aux deux critères de validité. Puis, il est envisageable, en symétrie axiale, de calculer
exactement par l’une des méthodes (QRPA) des ingrédients essentiels à la seconde : les paramètres d’inertie
vibrationnels nécessaires la GCM lorsque l’approximation de l’overlap gaussien (GOA) conduit à la résolution d’un
Hamiltonien de type Hamiltonien de Bohr. Ces paramètres sont actuellement calculés avec l’approximation du
cranking.
Le sujet présente différents aspects : le développement d’un formalisme, l’application numérique et la comparaison
des résultats avec les données expérimentales. Ceci inclut l’analyse de la convergence des paramètres d’inertie et
une évaluation des différences entre le calcul exact et les formules utilisées jusqu'à présent. L’introduction des
valeurs exactes aura un impact sur le calcul des états collectifs, cet impact devra être quantifié. Les premières
applications traiteront des effets de couches dans les noyaux exotiques légers, un problème fondamental de la
physique nucléaire moderne. Ces résultats constitueront un support théorique majeur des futures expériences qui
seront faites au GANIL (grand accélérateur national d’ions lourds). Les importants moyens de calculs mis à
disposition permettent d’envisager l’application de cette méthode à des noyaux de plus en plus lourds jusqu’aux
systèmes fissionnants. L’étudiant sera encouragé à interagir avec les physiciens de la communauté et à présenter
ses travaux lors de séminaires, ateliers et conférences.
Directeur de thèse Héloïse Goutte, GANIL
Contact Sophie PERU-DESENFANTS, DAM/DIF Tél 01 69 26 40 00
Sujets de thèse 2011 CEA DAM 67 / 84 Physique nucléaire
Sujet Etude expérimentale du spectre en énergie des neutrons prompts émis lors d'une fission nucléaire
Contexte L’énergie des neutrons prompts émis lors du processus de fission nucléaire est une observable
essentielle tant sur le plan des applications que d’un point de vue plus fondamental. Or, paradoxalement, elle n’est
qu’approximativement connue, en particulier dans la partie de basse énergie du spectre (énergie des neutrons émis
inferieure à 1 MeV).
Cette thématique connait actuellement un important regain d’intérêt au niveau international. En particulier nous
participons à un projet de recherche 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 théoriques prédictifs.
Objectif de la thèse L’objectif de la thèse consiste à réaliser de nouvelles mesures permettant de clarifier la
situation. Ces mesures seront utilisées pour améliorer les modèles théoriques.
Déroulement de la 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 et éventuellement sur d’autres installations dans le cadre de collaborations.
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 expérimentaux obtenus 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. En outre, le doctorant sera amené à présenter ses résultats dans des réunions et congrès
internationaux et à les publier dans des revues spécialisées avec comité de lecture.
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
reconnue au niveau international 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. Cette spécificité pourra être avantageusement mise 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.
L’étudiant devra être 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. Un bon niveau en anglais est requis.
Directeur de thèse Thierry Ethvignot
Contact T. GRANIER, CEA DAM Ile de France, 01 69 26 40 00
68 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 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. L’existence de nombres « magiques » de
neutrons et/ou protons, pour lesquels l’énergie de séparation d’un nucléon est particulièrement grande, est une
preuve expérimentale forte d’une structure en couches. Cependant, le noyau est un système quantique complexe.
Cette hypothèse, bien souvent trop restrictive, fournit une description partielle de la structure des noyaux.
L’existence de la superfluidité nucléaire (différence de masse pair-impair, moments d’inertie, état 2+ de basse
énergie dans les noyaux pair-pairs…), les excitations collectives (résonances géantes, phénomène de fission…), le
couplage entre excitations individuelles et collectives (inversion de parité dans des noyaux légers, premier état 0+
excité de basse énergie dans les noyaux pair-pairs…) sont des manifestations directes et mesurables de l’existence
de corrélations entre les nucléons au sein du noyau. La manifestation ou non de ces différents types de corrélations
dépend fortement du noyau étudié. La production de noyaux exotiques déficients ou riches en neutrons grâce aux
nouveaux moyens expérimentaux (projet Spiral 2 au GANIL…) permet d’étudier l’évolution de leurs propriétés et
donc des corrélations le long de chaînes isotopiques longues (déformation, collectivité, nouveaux nombres
magiques…). Il est donc capital d’aller au-delà de l’hypothèse de particules indépendantes et de prendre en compte
au moins une partie des corrélations entre les nucléons alors précédemment négligées afin d’avoir une description
réaliste de la structure des noyaux.
Objectif de la thèse
Les approches traditionnelles développées au-delà de l’approximation de particules indépendantes sont souvent
spécifiques d’une catégorie de corrélations, introduisent des brisures de symétrie et des approximations à différents
niveaux.
Notre laboratoire propose une méthode novatrice offrant le cadre idéal pour traiter de façon unifiée ces corrélations
au-delà de l’approximation de particules indépendantes : le mélange de configurations multiparticules-multitrous
(mpmh) variationnel. La fonction d’onde choisie pour décrire le noyau est la plus générale possible et permet d’éviter
certaines brisures de symétrie et approximations. Notamment, 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.
Notre laboratoire est pionnier dans le développement de ce type d’approches en physique nucléaire, utilisées par
ailleurs dans d’autres domaines de la physique tels la physique atomique ou la chimie quantique. 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 et ambitieux de la méthode de mélange de configurations mpmh
variationnel, tant du point de vue théorique que numérique. En outre, elle permettra de tester voire d’améliorer
l’interaction nucléon-nucléon 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, commun à de nombreux
domaines de la physique. L’expertise qu’il développera dans le domaine numérique avec l’utilisation de
supercalculateurs sera à la pointe dans le domaine. Il aura l’opportunité d’interagir avec de nombreux physiciens
théoriciens et expérimentateurs de notre laboratoire et de laboratoires extérieurs avec lesquels 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 pré-thèse pourra être effectué. Une connaissance
préalable du problème à N-corps n’est pas demandée.
Directeur de thèse Jean-François BERGER, conseiller scientifique CEA/DAM/DIF
Contact Nathalie PILLET, CEA/DAM/DIF, Tel : 01 69 26 40 00
Sujets de thèse 2011 CEA DAM 69 / 84 Physique nucléaire
70 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 ILE DE FRANCE
VALDUC
Le RIPAULT
CESTA
GRAMAT
Science des
matériaux
Sujets de thèse 2011 CEA DAM 71 / 84 Science des matériaux
Sujet Elaboration de dépôts par projection plasma de métaux, alliages métalliques et cermets à propriétés
électriques et optiques contrôlées.
Contexte
Il s’agit de mettre en œuvre des matériaux à propriétés optique (domaine du rayonnement visible et infrarouge) et
électrique variables selon leur composition et leur microstructure. Cette dernière est directement reliée aux paramètres
opératoires qui seront utilisés lors de la phase de projection thermique.
La technique retenue pour mettre en œuvre les matériaux est la projection plasma. Les microstructures des dépôts
seront principalement liées aux caractéristiques du précurseur (pouvant être une poudre, une suspension, un sol ou un
autre type de précurseur liquide conduisant à la synthèse de particules dans le milieu plasma) et à la variante de
projection utilisée (projection sous air, sous gaz inerte ou à pression réduite).
Les performances électriques et optiques seront mesurées par mesure 4 pointes, spectrophotométrie UV-vis et IR puis
mesure d’émissivité.
Au fur et à mesure de la réalisation des dépôts et de leurs caractérisations microstructurale, électrique et optique, on
s’appuiera sur une démarche de modélisation simplifiée de l’interaction rayonnement-matière se produisant au sein
des dépôts qui devrait pouvoir restituer les grandes tendances des spectres de propriétés optiques collectés
expérimentalement.
Objectif de la thèse
L’objectif de la thèse est de maîtriser les relations qui existent entre les conditions de mise en œuvre des matériaux,
leurs caractéristiques microstructurales et les propriétés optiques et électriques en résultant.
Déroulement de la thèse
Les travaux de thèse seront conduits en partenariat entre :
• le CEMHTI (Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation), UPR CNRS 3079
conventionnée avec l’Université d’Orléans (45),
• les laboratoires des matériaux magnétiques et optiques (LMMO) et de projection thermique (LPTh) du CEA Le
Ripault.
Le doctorant réalisera sa thèse au laboratoire de projection thermique au CEA Le Ripault.
Directeurs de thèse
Directeur de thèse : Patrick ECHEGUT (CEMHTI) ; Encadrants CEA : Karine WITTMANN-TENEZE, Valérie BIANCHI,
Franck ENGUEHARD (Le Ripault)
Contact Karine WITTMANN-TENEZE, CEA Le Ripault, 02-47-34-40-00
72 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Science des matériaux
Sujet Elaboration de Matériaux Ultra-Réfractaires pour la protection de composites à haute température
Cette thèse se déroulera au sein du Laboratoire de Projection Thermique du CEA Le Ripault, en collaboration avec
Snecma Propulsion Solide (Le Haillan, 33).
Contexte L’industrie spatiale utilise très largement les matériaux composites pour leur faible poids allié à de très
bonnes caractéristiques thermomécaniques. Ce choix prend notamment tout son sens au niveau des tuyères qui
subissent des températures de plus en plus importantes au fur et à mesure que les carburants gagnent en efficacité
énergétique. Les températures visées deviennent telles (jusqu’à 3000°C) que les composites en eux-mêmes ne
suffisent plus et qu’il convient de les protéger contre l’oxydation et la corrosion. Cette protection passe par la mise
en œuvre de nouveaux matériaux composites, et/ou par la mise en place de revêtements superficiels UltraRéfractaires monolithiques, multicouches ou eux-mêmes composites.
Objectif de la thèse Le développement de matériaux Ultra Réfractaires représente un intérêt tout particulier pour
l’industrie spatiale (tuyères, pointeaux, …) et pour le CEA tant civil que militaire (adaptation aux corps de rentrée,
réacteurs, …). L’objectif de la thèse est d’une part d’obtenir des dépôts performants en termes de tenue à haute
température sous atmosphère oxydante (eau + air + résidus de combustions), et d’autre part de comprendre les
mécanismes de dégradation et de protection afin de relier mode d’obtention, microstructure et propriétés
thermomécaniques. Le but de cette thèse n’est pas d’innover sur le choix des matériaux, mais, à partir des plus
prometteurs, et par l’utilisation de moyens innovants (projection thermique de nano composés, de suspensions, de
poudres enrobées, frittage par Spark Plasma sintering), d’adapter les microstructures (dépôts micro ou nano
structurés) ou les empilements de couches fonctionnelles de façon à obtenir les caractéristiques recherchées.
Déroulement de la thèse La première phase de cette étude consistera à identifier, à travers une étude
bibliographique, les matériaux les plus susceptibles d’avoir un caractère protecteur à haute température. Cette
étude bibliographique doit aussi permettre au doctorant d’appréhender les mécanismes de dégradation des
matériaux à haute température afin qu’il puisse ensuite adapter et optimiser les microstructures. La partie
expérimentale de ce travail de thèse sera ensuite divisé en deux parties. Dans un premier temps, il sera question de
mettre en forme les différents matériaux identifiés lors de l’étude bibliographique en prenant soin d’en adapter les
microstructures. Pour ce faire, le thésard aura à sa disposition plusieurs techniques à base de projection thermique
(projection de suspension, poudres enrobés, mélanges multi échelles micro-nano, …) et/ou à base de frittage,
conventionnel ou assisté (HIP, Spark Plasma Sintering, …). La deuxième phase de la partie expérimentale
consistera à caractériser entièrement les matériaux obtenus.
En plus des caractérisations physico-chimiques et structurelles traditionnelles qui permettront de définir entièrement
les matériaux, le doctorant devra mettre en place et développer un banc d’essais des matériaux à haute
température et sous atmosphères corrosive et/ou oxydante.
Ces tests consisteront à porter à haute température la surface des échantillons à l’aide d’une torche plasma. Le
doctorant devra développer la technique ainsi que les diagnostics associés qui permettront d’analyser et de
quantifier les phénomènes intervenant lors de la dégradation.
En faisant le parallèle entre les résultats obtenus lors de ces essais, les microstructures et les modes d’élaboration,
le doctorant aura pour tâche d’établir des lois de comportements et de les appliquer afin d’optimiser le matériau.
Directeurs de thèse A déterminer
Contact Luc MOURADOFF ; CEA Le Ripault – 02.47.34.40.00
Sujets de thèse 2011 CEA DAM 73 / 84 Science des matériaux
Sujet Etude des mécanismes de fissuration à chaud lors du soudage hétérogène Tantale – TA6V par laser
ND : YAG 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 ND : YAG
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. Les zones fondues
obtenues présentent une forte hétérogénéité chimique, ce qui se traduit par l’observation de volutes et d’îlots
riches en tantale. On cherche à maîtriser l’influence des 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. Propriétés TA6V Tantale Tfusion [1878 ;1933] K 3269 K Tvaporisation 3633 K 5600 K Densité 4 430 kg.m‐3 16 760 kg.m‐3 Conductivité (solide) 19 W.m‐1.K‐1 60 W.m‐1.K‐1 Capacité calorifique 750 J.kg‐1.m‐3 140 J.kg‐1.m‐3 Exemple de morphologie de fissures générées au cours du procédé de soudage ; propriétés du tantale et du TA6V
Objectif de la thèse L’objectif de cette thèse est de quantifier les contraintes interfaciales entre les différents
composés, et d’évaluer les risques de fissuration à chaud le cas échéant. Cette quantification de
l’endommagement local sera à terme intégrée à un modèle de comportement global développé par T. PARIS.
Déroulement de la thèse Dans un premier temps, les mécanismes de formation des défauts de type
fissures ou retassures seront identifiés et validés. Cette étape s’appuiera sur l’observation de fasciés de
rupture (MEB), et par des évaluations de la composition de part et d’autre de zones fissurées. On s’appuiera sur
des conditions de soudage identifiées expérimentalement comme fissurantes :
-
des échantillons correspondant à des conditions de soudage mono-passe en très faible pénétration (de l’ordre de
0,2 mm) ;
des échantillons ayant subis un soudage avec un recouvrement pleine puissance en faible pénétration (de l’ordre
de 0,4 mm).
La seconde partie de l’étude sera dédiée à la modélisation numérique du refroidissement, afin de prédire
l’apparition de fissures. La cartographie des éléments à l'état liquide en début de refroidissement sera établie à
partir de coupes métallographiques (observées post-solidification). Ceci suppose que les mouvements convectifs
au cours du refroidissement ne modifient pas significativement cette cartographie. Les effets d’interaction entre
les différentes zones seront étudiés par une approche thermomécanique. Les principaux éléments d'un tel calcul
sont les suivants :
74 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 La connaissance de la position macroscopique des dernières fractions liquides (à l’échelle de la zone fondue). La
cinétique de solidification sera obtenue par un calcul thermique. Ceci nécessite de connaître les paramètres
thermophysiques du mélange en fonction de la teneur local en éléments (Ti, Ta, Al et V) et de la température.
- La prise en compte de critères de formation des défauts de type manque de matière. Des modèles utilisés en
fonderie pourraient être applicables (modèle de formation des retassures en particulier). On peut également
penser tester des critères de type fissuration à chaud dans les joints soudés. Des adaptations de ces modèles
existants aux spécificités de la problématique sont cependant à envisager.
- L’implémentation des critères de formation des défauts dans un code de calcul thermomécanique.
- La réalisation d’un calcul thermomécanique durant la phase de solidification. A l’issu de ce calcul, seront
également obtenues les contraintes interfaciales entre les composés formés au cours du procédé. Pour cela, il
sera nécessaire d’identifier les caractéristiques mécaniques du TA6V, du Ta et de la matrice cellulaire dendritique
formée lors du soudage à haute température (en s’appuyant sur les données déjà identifiées dans les thèses de
Y. Robert, T. Paris et S. Frénois). Ceci nécessite en outre des essais instrumentés (type Gleeble par exemple).
Le choix du code reste à discuter entre les différents partenaires.
Directeurs de thèse
M. BELLET (04 93 95 74 61)
Ecole Nationale supérieure des Mines de Paris
D. GREVEY (03 85 73 10 21)
Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne - Université de Bourgogne
Contact Charline Touvrey/ Céline Cossu 03 80 23 40 00
Sujets de thèse 2011 CEA DAM 75 / 84 Science des matériaux
Sujet Formulation et mise en œuvre d’adhésifs époxydiques pour la réalisation d’assemblages
structuraux destinés aux expériences d’interaction laser-matière
Contexte La construction par le CEA d’un laser de haute énergie (Laser MégaJoule) en France à la fin de la
décennie est un élément clé des moyens de validation expérimentale par partie du programme Simulation. Cette
installation permettra aux chercheurs de faire progresser la physique des plasmas thermonucléaires en
provoquant la fusion nucléaire contrôlée par confinement inertiel d’un mélange de deutérium-tritium (DT). Ces
études requièrent, pour chaque tir laser, une multitude de cibles différentes, composées d’un grand nombre
d’éléments de petites dimensions et de natures métalliques, organiques et inorganiques assemblés à l’aide
d’adhésifs structuraux de type époxy. Lors de leurs mises en œuvre, ces cibles sont soumises à d’importantes
sollicitations mécaniques et thermiques, les assemblages étant notamment utilisés sous diverses pressions et
températures variant de 20K à l’ambiante. Afin de permettre le bon déroulement des expériences, il est donc
primordial de garantir l’intégrité de ces ensembles collés tant au niveau de leur étanchéité que de leurs
caractéristiques géométriques. En effet, la tolérance sur le désalignement des différents éléments étant de l’ordre
de quelques micromètres, il est impératif que leurs positions ne varient pas ou peu sous l’effet des différentes
contraintes qui leur sont imposées.
Objectif de la thèse A l’heure actuelle, ces cibles sont réalisées à l’aide d’adhésifs commerciaux de type
« époxy » dont la formulation reste mal maîtrisée et dont la pérennité d’approvisionnement n’est pas garantie. De
plus, et bien que ces adhésifs permettent la réalisation d’assemblages structuraux, les résultats obtenus
présentent une grande dispersion dans la reproductibilité des collages réalisées. A travers l’analyse physicochimique des adhésifs et des assemblages réalisés, l’objectif de cette thèse consistera donc en la mise en place
et la mise en œuvre d’une formulation adéquate et pérenne d’un adhésif structural permettant de garantir
l’intégrité et la durabilité des cibles d’interaction laser-matière.
Déroulement de la thèse Du fait du grand nombre de facteurs influençant la durabilité des assemblages, le
doctorant sera amené à développer des solutions de collage selon deux points majeurs en tenant compte de la
nature diverse des substrats utilisés ainsi que des contraintes imposées par les expériences (températures
cryogéniques, pression, environnement radiolytique, étanchéité, …) :
¾ L’efficacité d’un collage structural faisant intervenir « force de cohésion » (directement liées aux propriétés
mécaniques de l’adhésif) et « force d’adhésion » (résultats des différentes interactions à l’interface adhésif /
substrat), le doctorant s’attachera via l’analyse physico-chimique des adhésifs à disposition à définir leur
mise en œuvre et leur formulation optimale.
¾
Le second point majeur de cette thèse concerne l’analyse de l’interface substrat / adhésif et notamment de
l’influence des divers substrats employés (métaux (or, aluminium, …), organiques, inorganiques) sur le joint
de colle.
Directeur de thèse Laboratoire de Physico-chimie des Polymères et des Milieux Dispersés (ENSPCI Paris)
Contact Benoît Reneaume, Centre de Valduc 03 80 23 40 00
76 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Science des matériaux
Sujet Etude structurale et microstructurale de la transformation martensitique à basse température des
alliages de plutonium
Contexte
Le plutonium est sans doute un des éléments dont la métallurgie est la plus complexe puisqu’il possède six
variétés allotropiques, la phase, monoclinique, étant la phase stable à température ambiante. Une d’entre elles, la
phase δ, est plus ductile et moins oxydable que la phase. Cette phase peut être retenue à température ambiante
en ajoutant quelques pourcents d’éléments d’alliages dit deltagènes comme l’aluminium, le gallium, le cérium ou
encore l’américium. Les alliages concernés par notre étude sont du type des alliages δ métastables.
Le comportement de ces alliages sous l’effet des basses températures, conduisant notamment à la transformation
martensitique δ→α'+δ, est connu mais encore mal expliqué. Celui-ci présente, au regard des diagrammes TTT
publiés dans la littérature, des morphologies et des mécanismes différents suivant la température de la
transformation et la vitesse de refroidissement qui sont encore à identifier.
Dans ce contexte, il apparaît opportun de pouvoir étudier le comportement de ces alliages et de tenter
d’interpréter les phénomènes et les mécanismes mis en jeu. L’homogénéité du matériau est également un
paramètre important qui complique d’autant le processus de transformation.
De plus, au-delà de la transformation, il est aussi nécessaire de chercher à caractériser quels sont les sites
préférentiels de la germination et de les relier à un état microstructural.
Objectif de la thèse
Afin de répondre à ces questions, la thèse proposée a pour objectif de caractériser, à l’échelle microscopique par
diffraction des rayons X à basse température, l’influence des différents paramètres de la transformation tels que la
nature, la structure cristalline et le taux de phases présentes, ainsi que les modifications de la microstructure
(microdéformations et contraintes engendrées). Une étude à l’échelle macroscopique sera également menée en
parallèle notamment par des mesures de dilatométrie. Un autre objectif de la thèse sera la recherche de
l’existence d’embryons correspondant à des sites préférentiels de germination de la phase lors du processus de
transformation. A cet effet, il est envisagé des expériences permettant une analyse d’ordre local de la structure
cristalline des alliages de plutonium étudiés sur la ligne MARS, ligne dédiée à l'étude de matériaux radioactifs sur
le synchrotron SOLEIL. De plus, il faudra également mettre en place des outils de modélisation
phénoménologique afin de disposer de modèles prédictifs de transformation en fonction de la température.
Déroulement de la thèse
Le candidat réalisera les expériences de diffraction des rayons X à basse et haute température et sera en charge
des différentes analyses Rietveld nécessaires à l’exploitation des diagrammes de diffraction afin de bien évaluer
l’évolution de l’état microstructural de l’alliage en fonction des cycles thermiques qui lui seront appliqués. Les
résultats obtenus permettront une interprétation plus fine des données qui seront enregistrées par dilatométrie à
l’échelle macroscopique.
Dans un second temps, des expériences permettant de caractériser des sites préférentiels de germination de la
phase par une analyse à l’ordre local de la structure cristalline des alliages de plutonium pourront être menées sur
la ligne MARS.
Au final, dans le but d’apporter un caractère prédictif aux différents processus de transformation de phase qui
seront observés, les différents résultats devront être également analysés dans le cadre de modèles
phénoménologiques pouvant être paramétrés par les expériences.
Directeur de thèse en cours : collaboration Institut des Transuraniens – Karlsruhe, laboratoire de Chimie du
Solide Minéral Nancy - laboratoire Simap Univ. J. Fourier Grenoble
Contact Brice Ravat, Centre de Valduc 03 80 23 40 00
Sujets de thèse 2011 CEA DAM 77 / 84 78 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 ILE DE FRANCE
VALDUC
Le RIPAULT
CESTA
GRAMAT
Mécanique
Sujets de thèse 2011 CEA DAM 79 / 84 Mécanique
Mécanique des milieux continus
Sujet Modélisation de la rupture de structures en béton armé par une approche éléments discrets
Contexte La modélisation fine des structures en béton armé, poutres ou plaques, renforcées ou non, est un sujet
ancien et intéressant pour plusieurs raisons. De par sa nature, le béton résiste bien en compression, très peu en
traction et il est hétérogène. L’insertion d’armatures longitudinales et de cadres transversaux modifie complètement
le comportement de la poutre en lui donnant une ductilité globale et une plus grande résistance. Ce sujet représente
un grand défi pour le modélisateur. A titre d’exemple, dans les poutres en béton armé renforcées par des plats en
composite collés sur la face inférieure de la poutre, la couche de béton située entre l’armature et le renfort ne fait
que quelques diamètres de grains d’épaisseur. C’est pourtant elle qui cède souvent la première à cause d’une
concentration de contrainte élevée en bout de poutre (peeling off). Jusqu’à présent, 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 basées 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, ce qui n’est pas toujours vérifié.
2. Les modèles multicouches représentent ces structures comme des couches différentes en interaction. Ces modèles
sont très efficaces pour capter la flexion et les efforts d’interface. Ils sont cependant moins adaptés 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. Ces méthodes
nécessitent de grand temps de calcul.
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 (CEA) a développé un code aux éléments discrets qui permet de modéliser les glissements de terrain,
les ruptures et les effondrements de structures soumises à des impacts ou à 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 de poutres en béton armé renforcé. 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 réaliser pour aboutir à des prédictions quantitatives.
Objectif de la thèse Nous souhaitons, à travers cette thèse, approfondir les capacités de cette méthode discrète
dans la modélisation de la fracturation d’éléments de structure ou de bâtiments en béton armé afin de pouvoir
progresser dans l’analyse de la rupture, en statique ou dans le domaine du comportement sous séisme. Ce sujet est
original par le développement d’une nouvelle approche numérique. Nous pourrons également valider cette approche
par des comparaisons à de nombreuses expériences sur la rupture de structures en statique ou sous sollicitation
sismique.
Déroulement de la thèse Les principales étapes de la thèse sont les suivantes :
-
développement d’une méthode d’intégration des ferraillages pour la modélisation des structures en béton armé ;
adaptation de la loi de comportement pour la traction ductile des métaux ;
développement d’un schéma numérique dit « statique » pour la modélisation des ruptures sous contraintes statiques
(par exemple, rupture de poutre en flexion lente)
validation des approches sur des expériences en statique ou en sismique (par exemple : essais sur table vibrante);
Publications, congrès, rédaction du mémoire.
L’accès au supercalculateur du projet TERA est un des moyens importants pour la réussite de cette thèse. Ce sujet
nécessite des compétences en numérique, analyse numérique, mécanique des matériaux, … Il nécessite également
une capacité à interagir avec différents experts de ces domaines.
Directeur de thèse Karam SAB (ENPC/LAMI), Christian MARIOTTI (CEA)
Contact CEA/DAM/Ile de France, Christian MARIOTTI, tél : 01 69 26 40 00
80 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Mécanique
Mécanique des fluides et
Turbulence
Sujet Analyse des couches de mélange turbulentes issues des instabilités de Rayleigh-Taylor dans une
configuration stratifiée
Contexte scientifique La fusion par confinement inertiel vise à produire de l'énergie à partir de réactions
nucléaires de fusion entre éléments légers. La réaction la plus efficace, pour parvenir à ce résultat, est donnée
par le mélange deutérium-tritium (DT). Un des procédés possibles, pour obtenir les conditions d'inflammation de
ce mélange, est d'imploser un microballon rempli de DT par des faisceaux de lumière laser. C'est le procédé
retenu pour le projet du laser mégajoule (LMJ).
Au cours de ce processus, plusieurs instabilités hydrodynamiques perturbent l'écoulement et peuvent empêcher
l'inflammation. Ces instabilités appartiennent à la famille des instabilités de Rayleigh-Taylor (RT). Elles sont donc
proches de la configuration d'un fluide lourd placé au-dessus d'un fluide léger dans un champ d'accélération.
Sujet proposé La simulation numérique de ces écoulements instables, compressibles et tridimensionnels, en
régime de transition vers la turbulence ou en phase de turbulence développée, est désormais accessible grâce
aux machines parallèles à grand nombre de processeurs. C'est pourquoi un code numérique pseudo-spectral
tridimensionnel a été développé, ainsi que des outils de post-traitement. Ce code résout les équations complètes
de Navier-Stokes et l'approximation dite "anélastique" de ces équations dans laquelle les ondes acoustiques sont
filtrées, permettant ainsi des simulations beaucoup plus rapides. Un code de stabilité linéaire a également été
développé.
Objectif de la thèse L'objectif de la thèse est l'étude de la transition vers la turbulence et de la turbulence
développée, des écoulements de mélange entre fluides compressibles et miscibles, consécutifs aux instabilités
RT. Il s'agit de contribuer à répondre à la question : quelle est l'influence de la compressibilité sur la turbulence et
le mélange ? par exemple, que devient le caractère autosimilaire de la turbulence RT, démontrée dans le cadre
de l'approximation de Boussinesq ? Quelle est la symétrie – ou l'asymétrie – de la turbulence et du mélange, dans
une configuration initialement stratifiée ? etc…
Références M.-A. LAFAY, B. LE CREURER et S. GAUTHIER, Europhys. Lett. 79, 64002 (2007)
S. GAUTHIER et B. LE CREURER, Phil. Trans. R. Soc. A, 1681-1704 (2010)
Le CEA est très exigeant pour les candidats à une thèse. Il est pratiquement nécessaire d'avoir obtenu, ou
d'obtenir, une mention Bien à un Master de type "Mécanique des fluides". Celui-ci doit avoir été obtenu
récemment, une année au plus, au moment de la candidature. Le candidat doit avoir 23 ans, une année de plus
peut être acceptable. De plus, pour une thèse au CEA/DAM, il est nécessaire de posséder la nationalité française.
Contact CEA Serge GAUTHIER, CEA DAM Île-de-France, Bruyères-Le-Châtel, 91297 Arpajon – 01 69 26 40 00
– [email protected]
Sujets de thèse 2011 CEA DAM 81 / 84 Mécanique
Mécanique des solides Instabilités
Sujet Etude de la stabilité des structures sous chargement impulsionnel
Contexte Les phénomènes d’instabilité et de localisation de la déformation dans les structures au comportement
élasto-plastique (flambement de barres ou de plaques en compression, striction dans les plaques en traction ou
les coques en expansion,…) sont bien traités dans le cas de chargements quasi-statiques ou lentement
dynamiques. Les analyses linéaire ou faiblement non-linéaire de stabilité, à coefficients constants ou dépendant
faiblement du temps, permettent de calculer les modes propres d’instabilités susceptibles de se développer dans
la structure à chaque instant tant qu’ils restent de faible amplitude et à la condition que le chargement moyen
puisse être considéré comme figé pendant leur phase de croissance : on parle d’hypothèse de « découplage des
échelles de temps » (D.E.T.).
En revanche, les analyses à D.E.T. ne peuvent plus s’appliquer pour des chargements dynamiques tels que les
temps caractéristiques de variation du chargement moyen et de croissance des instabilités sont du même ordre. Il
faut alors recourir à d’autres méthodes d’analyse.
Objectif et déroulement de la thèse Au cours de cette thèse, on propose de s’intéresser aux instabilités des
structures et des solides sollicités dans des conditions telles que les modes d’instabilité se développent à des
vitesses comparables à la vitesse de la solution principale : on s’attachera au cas de structures soumises à des
chargements impulsionnels.
Le formalisme mathématique à mettre en œuvre pour caractériser les conditions d’apparition et la forme des
instabilités sera identifié avec l’aide de l’encadrant ; on pourra s’inspirer entre autres des méthodes proposées
dans la littérature concernant la stabilité des propagations d’ondes.
On l’appliquera à des géométries suffisamment simples qui restent à définir : flambement en compression ou
striction en traction d’une barre sous chargement impulsionnel, striction d’une enveloppe cylindrique ou sphérique
en expansion sous l’effet d’une onde de pression,… Pour chacune d’elles, on s’efforcera de mettre en évidence
l’influence sur la forme et la vitesse de développement des instabilités des différents paramètres caractérisant la
géométrie de la structure, les caractéristiques du chargement ainsi que le comportement du matériau.
On pourra ensuite appliquer les résultats à l’interprétation d’expériences simples de type expansion d’anneaux ou
traction d’éprouvettes pour lesquelles les instabilités apparaissent avant que l’écoulement ne soit stabilisé.
Directeur de thèse Nicolas TRIANTAFYLLIDIS, L.M.S., Ecole Polytechnique
Contact CEA Jean-Lin DEQUIEDT, CEA DAM Île-de-France, Bruyères-Le-Châtel, 91297 Arpajon – 01 69 26 40
00 – [email protected]
82 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011 Mécanique
Sujet Etude expérimentale et théorique de l’initiation et de la croissance de l’endommagement laser à la
surface de composants optiques en silice par plusieurs longueurs d’onde simultanément
Contexte Dans le cadre du projet Laser Mégajoule (LMJ), le Laboratoire Métrologie Optique 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, soit à 532, soit à 355 nm. Toutefois, certains composants de la chaîne sont illuminés
simultanément par plusieurs faisceaux lasers de différentes longueurs d’onde. Cela est notamment le cas du réseau
focalisant du LMJ pour lequel il est nécessaire de prédire la durée de vie sur chaîne dans cet environnement
particulier d’illumination multi-longueurs d’onde.
Objectif de la thèse Un des objectifs de la thèse est d’obtenir une connaissance expérimentale du sujet plus
précisément sur les deux phases gouvernant l’endommagement d’un composant : tout d’abord la phase d’amorçage
des dommages suivie de celle de la croissance. 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 lors de ces deux
phases. Ceux-ci seront étudiés dans un premier temps dans le cas de composants en silice puis pour des réseaux.
Déroulement de la thèse En collaboration avec une équipe d’ingénieurs et de techniciens, le doctorant réalisera
d’une part 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 multi-longueurs d’onde seront
comparés avec les résultats obtenus avec une seule longueur d’onde. Les tests seront principalement réalisés sur
des substrats de silice polie puis pour des réseaux de focalisation fonctionnant en transmission. Les deux phases
gouvernant la durée de vie des optiques seront étudiées : l’amorçage et la croissance des dommages.
Dans le même temps, des travaux de modélisation seront réalisés avec le soutien des modélisateurs et théoriciens.
Les mécanismes gouvernant l’amorçage et la croissance des dommages commencent maintenant à être compris,
dans le cas d’un éclairement mono-longueur d‘onde. Le couplage et l’interaction entre les différentes longueurs
d’onde sont une étape supplémentaire à introduire dans les modèles.
Modélisation et expériences seront menées en parallèle pour une meilleure compréhension des mécanismes et de
la phénoménologie de l’endommagement laser multi-longueurs d’onde.
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 mais aussi sur la prédiction de la durée de vie de ces
composants.
Directeur de thèse : Jean-Yves NATOLI, Institut Fresnel, Université de Marseille
Contact CEA Laurent LAMAIGNERE – CEA CESTA – 05 57 04 40 00
Sujets de thèse 2011 CEA DAM 83 / 84 84 / 84
CEA DAM
Sujets de thèse 2011