Thèses proposés au CEA/DAM 2016

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Thèses proposées
au CEA / DAM
2016
Jeunes chercheurs : bienvenue dans nos laboratoires !
Chaque année la direction des applications militaires du CEA accueille des jeunes chercheurs dans ses laboratoires
pour préparer une thèse de doctorat en partenariat avec une école doctorale.
C’est une opportunité pour de jeunes chercheurs de s’immerger au sein d’équipes de recherche renommées,
dynamiques et motivées disposant de moyens souvent uniques. Les domaines couverts sont très nombreux et très
vastes. Ils sont largement ouverts sur la communauté académique nationale et internationale. Toutes les thèses
donnent lieu à des communications dans les congrès et à des publications dans des journaux de premier rang.
Certains sujets de thèse sont labélisés « sujets phares » à l’issue d’une sélection par le Haut-commissaire à
l’Energie Atomique. Ils apparaissent dans la plaquette avec l’étiquette
. Ces sujets sont d’intérêt
stratégique et prioritaire pour le CEA. Les candidatures sur ces sujets font l’objet d’un traitement prioritaire, et d’un
financement garanti.
Les contrats de thèse sont financés soit en totalité par le CEA, soit cofinancés avec le CNRS, avec les Régions, ou
encore avec la DGA. Les financements CIFRE sont également possibles en lien avec un industriel partenaire de la
DAM. Les thèses se déroulent en règle générale dans les laboratoires du CEA/DAM qui dispose de cinq sites en
France : CEA/DAM Île-de-France en région parisienne près du plateau de Saclay, CEA/Le Ripault près de Tours,
CEA/CESTA près de Bordeaux, CEA/GRAMAT proche de Toulouse et CEA/Valduc à proximité de Dijon. Les thèses
peuvent également se faire dans l’une des unités mixtes de recherche (UMR) dont le CEA/DAM est une tutelle (LULI,
CELIA, LCTS, etc.).
Le CEA/DAM attache une grande importance à l’insertion professionnelle de ses doctorants. Tout d’abord nous
recrutons prioritairement nos chercheurs au sein de ce vivier. Nous proposons également un parcours postdoctoral attractif à ceux qui le souhaitent dans des laboratoires internationaux de haut niveau du DOE aux USA
(Livermore, Sandia, Los Alamos). Dans tous les cas, le niveau d’insertion des doctorants et post-doctorants du CEA
est l’un des plus élevés.
Cette plaquette présente une sélection de sujets proposés pour 2015. Tous les sujets proposés par la DAM figurent
également sur le site internet de l’INSTN. Un contact téléphonique est indiqué pour chaque sujet, ainsi que la
localisation du laboratoire d’accueil. N’hésitez pas à vous renseigner sur les sujets et à rencontrer nos chercheurs
pour discuter avec eux de votre avenir !
Thierry Massard
Directeur scientifique du CEA/DAM
L’ensemble des sujets est consultable sur le site internet
du CEA/DAM www-dam.cea.fr dans la rubrique Vie
scientifique/formation dans laquelle on trouve aussi
quelques informations utiles sur chacun des centres.
Les sujets sont également diffusés sur le site de l’INSTN
www-instn.cea.fr, dans la rubrique Formation par la
recherche, Voir les sujets de thèse.
Crédit photo : CEA
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Octobre 2015
Sujets de thèse 2016
Les centres CEA / DAM
CEA/Cesta
B.P. 2
33114 Le Barp
05 57 04 40 00
CEA/DAM Ile-de-France
Bruyères le Châtel
91297 Arpajon
01 69 26 40 00
CEA/Le Ripault
B.P. 16
37260 Monts
02 47 34 40 00
CEA/Gramat
B.P. 80 200
46500 Gramat
05 65 10 54 32
CEA/Valduc
21120 Is-sur-Tille
03 80 23 40 00
DAM-ILE DE FRANCE
LE RIPAULT
VALDUC
CESTA
GRAMAT
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Le centre CEA/Cesta
Centre d’études scientifiques et techniques d’Aquitaine
Le bureau d'études joue un rôle déterminant dans la conception des armes nucléaires. © CEA
Implanté depuis 1965 sur la commune du Barp, entre Bordeaux et le bassin d’Arcachon, le Cesta (près de 1000 salariés) a
pour mission première d'assurer l'architecture industrielle des armes de la force de dissuasion. Une responsabilité qui va de
la conception jusqu'à la mise à disposition des têtes nucléaires auprès des armées. Pour l'ensemble de ces activités, le
Cesta s'appuie sur des moyens scientifiques et technologiques exceptionnels. Le Cesta a acquis une compétence
importante dans la conduite de grandes expériences de physique, dans plusieurs domaines spécifiques aux systèmes
d’armement.
C'est également sur ce centre qu’est construit le Laser Mégajoule (LMJ), mis en service fin 2014. Avec les lasers LMJ et
PETAL, l'Aquitaine dispose d'un équipement de recherche exceptionnel, dont un seul équivalent existe dans le monde, en
Californie. Outre les besoins propres au CEA, ce laser est ouvert à la communauté scientifique, pour une part significative de
son temps d'utilisation. Il permet d'explorer de nouvelles voies de recherche pour l'étude des étoiles en laboratoire et des
matériaux dans des conditions extrêmes de température et de pression ou encore la fusion par confinement inertiel pour la
production d’énergie.
Concentré de très haute-technologie, ce grand laser a permis un développement industriel local en optique, en
instrumentation scientifique... Bordeaux et sa région rivalisent, en termes d'attractivité scientifique et technologique, parmi
d’autres grands pôles dans le monde.
Au cœur du Laser Mégajoule
Le Cesta au cœur de la recherche en Aquitaine : avec deux Unités mixtes de recherche implantées sur le Campus
universitaire de Bordeaux, le CEA est un acteur majeur de la vie scientifique local.
Le Cesta propose des thèses dans les domaines des lasers, de l’optique, de la turbulence, de l’aérodynamique, de
la mécanique des structures, de l’électromagnétisme…
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Le Centre CEA/DAM Île-de-France (DIF)
Le centre de la DIF est chargé de la conception et de la garantie des charges nucléaires en s’appuyant sur le programme
Simulation. Le programme Simulation permet de garantir la pérennité de la dissuasion française sans essais nucléaires. La
DIF participe à la lutte contre la prolifération et le terrorisme nucléaire et développe une expertise particulière dans les
domaines des sciences de la terre. Ainsi la DIF gère le Centre d’alerte pour les essais nucléaires, les séismes et les
tsunamis (CENALT).
La salle de contrôle du CENALT
Pour remplir ces missions, le centre est équipé de grands calculateurs de la classe pétaflopique tel que TERA1000 pour les
applications de la DAM. Par ailleurs le centre de calcul du CEA le CCRT est implanté au TGCC (Très Grand Centre de
Calcul) du CEA, jouxtant le site de Bruyères-le-Châtel. C’est une infrastructure réalisée pour accueillir la machine
européenne CURIE de puissance pétaflopique acquise par GENCI (Grand Equipement National de Calcul Intensif) dans le
cadre du partenariat européen Prace. Avec le centre TER@TEC de recherche et développement dans le domaine du Calcul
Haute performance, le TGCC et le TERACAMPUS, le CEA/DIF est au cœur du plus grand complexe européen de calcul
intensif. Il prépare les nouvelles générations de calculateurs (classe Exaflops) qui seront utilisées à la DAM mais aussi dans
tous les domaines scientifiques de pointe dans les années 2020.
Situé au bord du complexe scientifique du plateau de Saclay, le CEA/DIF est en interaction directe avec la nouvelle
Université Paris Saclay.
L’Exascale Computing Research Lab sur le Campus TERATEC
Le CEA/DIF propose des thèses dans le domaine de l’informatique, des mathématiques, de la physique des
plasmas, de la physique de la matière condensée, de l’électronique, de l’environnement et de la géophysique.
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Le Centre CEA/Le Ripault
Un pôle de compétences unique pour l'étude et la conception de nouveaux matériaux.
Le CEA/Le Ripault est situé près de Tours. Il rassemble, au profit de la Direction des applications militaires (DAM), tous les
métiers et les compétences scientifiques et techniques nécessaires à la mise au point de nouveaux matériaux et de
systèmes non nucléaires depuis leur développement (conception, synthèse, caractérisation...) jusqu'à leur industrialisation
(procédés de mise en œuvre et intégration système). Le Ripault est également un acteur majeur de la transition énergétique
dans le domaine des piles à combustible, du stockage de l’énergie au profit du CEA et de ses partenaires académiques et
industriels. Pour cela, Le Ripault a créé en 2006, en partenariat notamment avec la région Centre, la plate-forme AlHyance
innovation dédiée aux matériaux pour l’énergie bas carbone.
Chargement des tubes d’échantillons dans un analyseur RMN
Pour assurer ses missions, le CEA/Le Ripault a développé des compétences dans les domaines des matériaux
énergétiques, des matériaux organiques et hybrides, des matériaux résistants aux hautes températures et les isolants. Il
œuvre également dans le domaine de l’optique et des composants lasers, de l’électromagnétisme, de la microélectronique
et des capteurs.
Les métiers rencontrés au CEA/Le Ripault sont ceux de la modélisation, de la synthèse chimique, de la caractérisation, des
procédés de fabrication innovants (impression 3D) et de la sécurité en particulier dans le domaine pyrotechnique. Fort d’une
activité scientifique amont de premier ordre, le CEA/Le Ripault accueille de nombreux stagiaires d’écoles ou d’université.
Cette politique se concrétise par des publications et communications scientifiques, par la participation à des programmes de
recherche et par la mise à disposition de la communauté des chercheurs de certaines compétences ou outils du Centre.
Le CEA/Le Ripault est présent dans plusieurs Universités, naturellement à Tours, mais aussi à Orléans, Poitiers, Bourges, et
à Bordeaux avec une Unité mixte de recherche, le Laboratoire des Composites thermo-structuraux.
Réalisation de réservoirs pour le stockage hydrogène
Le CEA/Le Ripault propose des thèses dans le domaine des matériaux organiques et céramiques, de
l’électromagnétisme, des systèmes énergétiques bas carbones, des procédés de fabrication innovants et dans le
domaine des matériaux énergétiques.
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Le CEA/Gramat
Situé dans la région Midi Pyrénées près de Brive, le site de Gramat compte environ 250 salariés. L’activité scientifique du
centre concerne l’étude de la vulnérabilité et du durcissement des systèmes aux effets des armes et des agressions
électromagnétiques, à la fois par une démarche expérimentale et grâce à l’emploi des techniques de simulation.
Chambre pour la réalisation d’impulsions électromagnétiques
Les équipes du Centre sont également chargées de l’évaluation de l’efficacité de systèmes d’armes conventionnels de leur
vulnérabilité et de leur durcissement vis-à-vis des agressions électromagnétiques. A ce titre il étudie la vulnérabilité et la
protection des installations vitales civiles et militaires de la nation.
Sur le plan scientifique, les laboratoires de Gramat s’appuient sur de nombreuses Universités françaises (Limoges,
Toulouse, Rennes, etc…) et sur de grandes écoles d’ingénieur (Ecole Polytechnique, Ecole des Mines, etc...). Les
ingénieurs du centre participent au Pôles de compétitivité Aerospace Valley (Midi-Pyrénées, aéronautique, systèmes
embarqués), Elopsys (Limousin, micro-ondes et réseaux).
La chambre anéchoïque Mélusine
Les thèses proposées au CEA/Gramat concernent les domaines de l’électromagnétisme, de l’électronique, de la
détonique, de la dynamique des structures et de la simulation numérique.
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Le CEA/Valduc
Situé au cœur de la Bourgogne au nord de Dijon, le CEA/Valduc est en charge de la conception technologique et de la
fabrication de composants nucléaires des armes. Il conduit les recherches amont et réalise le développement technologique
dans le domaine de la métallurgie. Il fabrique et livre les objets d’expérimentation nécessaires au programme Simulation.
Assemblage des cibles laser
Le CEA/Valduc accueille l'installation franco-britannique radiographique et hydrodynamique Epure, en cours de construction.
Le CEA/Valduc est associé au pôle de compétitivité PNB, Pôle nucléaire Bourgogne (industries mécaniques et
métallurgiques).
Le CEA/Valduc propose des thèses dans le domaine de la métallurgie, du cycle des matières nucléaires, des cibles
pour les expériences laser, de la simulation des procédés de mise en forme. Le Centre collabore étroitement avec
de nombreux laboratoires comme par exemple l’Université de Dijon et l’ENSAM Cluny.
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Les thématiques
Atmosphère, géophysique et environnement
Electromagnétisme
Electronique
Métrologie, instrumentation, diagnostics
Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation
Physique des plasmas
Optique et Lasers
Physique de la matière condensée
Physique nucléaire
Chimie et science des matériaux
Mécanique, thermomécanique, aérodynamique
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Liste des sujets par
domaine
Atmosphère, géophysique et environnement ........................................................... 15
Paramétrisation des ondes de gravité dans un modèle de circulation générale .............................. 16
Etude globale du bruit océanique pour une meilleure connaissance de la dynamique
atmosphérique et de ses incertitudes............................................................................................... 18
Modélisations de sources sismiques et de sources explosives sous-marines et de leur propagation
à courte et grande distance en milieu solide et liquide : études de cas et comparaison à des cas
réels ................................................................................................................................................... 20
Développement d’un système de mesure ultra-compact à coïncidence électron/photon pour la
détection et la caractérisation de gaz rares radioactifs .................................................................... 22
Apport de l’assimilation d’observations à la prévision de la dispersion atmosphérique et des
conséquences de rejets accidentels d’installations industrielles...................................................... 23
Modélisation de la diffusion de la lumière des éclairs par les nuages et validation avec le satellite
TARANIS ............................................................................................................................................. 24
Influence de la turbulence atmosphérique sur la propagation des ondes infrasonores à grande
distance ............................................................................................................................................. 26
Electromagnétisme ................................................................................................... 27
Modélisation précise de milieux fortement hétérogènes en domaine hyperfréquence.................. 28
Etude à cœur des propriétés de matériaux innovants par la compréhension de la propagation de
l’onde électromagnétique à travers l’onde de choc dans la gamme de fréquence 1GHz – 3 THz ... 29
Méthode d’estimation des valeurs extrêmes des distributions de contraintes induites et de seuils
de susceptibilité dans le cadre des études de durcissement et de vulnérabilité aux menaces
électromagnétiques intentionnelles ................................................................................................. 30
Modélisation par la méthode de Kirchhoff-Kron des effets des ondes électromagnétiques sur des
systèmes complexes .......................................................................................................................... 31
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Etude et conception d’une source micro-ondes de forte puissance compacte, accordable en
fréquence et présentant un rendement élevé .................................................................................. 32
Modélisation des interactions électromagnétiques avec le vivant à l’échelle cellulaire. Recherche
d’effets athermiques ......................................................................................................................... 33
Réalisation d’antennes hautes performances par impression 3D .................................................... 34
Elaboration d’un matériau magnétique multi-bande par dépôt d’oxyde en voie liquide ................ 35
Conception et réalisation de tapis d’invisibilité multi-bande ........................................................... 36
Utilisation de la théorie des courants caractéristiques dans l’analyse de la Surface Equivalente
Radar (SER) Basse Fréquence ............................................................................................................ 37
Exploitation de mesures de SER bistatique d’une cible revêtue pour extraire les caractéristiques
radioélectriques du matériau de revêtement ................................................................................... 38
Rétroaction d’une cible de conversion sur un faisceau d’électrons relativistes dans le cadre d’une
machine de radiographie éclair bipulse ............................................................................................ 39
Electronique.............................................................................................................. 41
Etude de la génération d’impulsions électromagnétiques produites par claquages de matériaux
diélectriques induits par flux d’électrons .......................................................................................... 42
Modélisation de la susceptibilité électromagnétique des étages d’alimentation d’équipements
électroniques en mode conduit ........................................................................................................ 43
Etude des claquages de volume résultant de l’accumulation de charges dans les isolants - Cas de
l’irradiation par un faisceau d’électrons ........................................................................................... 44
Développements de modèles de comportement de composants électroniques « hors régime
fonctionnel » ..................................................................................................................................... 45
Modélisation des effets de déplacements atomiques induits par irradiation dans les matériaux
pour la microélectronique ................................................................................................................. 46
Métrologie, instrumentation, diagnostics .................................................................. 47
Etude et optimisation de la source X du premier axe de radiographie de l’installation Epure ........ 48
Etude des imageurs « burst » en technologie CMOS pour les diagnostics plasma du Laser
MégaJoule ......................................................................................................................................... 50
Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation ................................. 51
Utilisation de la métamodélisation pour l’analyse de fiabilité des systèmes complexes. Application
aux systèmes emboîtés à entrées et sorties intermédiaires scalaires ou fonctionnelles ................. 52
Approximation et simulation numérique des équations de la MHD bitempératures ...................... 53
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Génération efficace de noyaux de calcul sur accélérateurs pour les applications de dynamique
moléculaire ........................................................................................................................................ 54
Stockage massif pour le HPC par utilisation de storage blobs .......................................................... 56
Analyse bayésienne de la propagation des infrasons ....................................................................... 57
Physique des plasmas .............................................................................................. 59
Physique de la génération et du transport des particules alpha pour l'allumage par choc.............. 60
Physique de l'interaction laser-plasma pour l'allumage par choc..................................................... 61
Etude de rayonnement TeraHertz (THz) émis par un plasma généré à l’aide de sources laser
émettant dans l’infrarouge moyen ................................................................................................... 62
Caractérisation à ultra-haute résolution spatiale, temporelle et spectrale d’un plasma dense et
chaud au moyen des nouvelles sources lasers X intenses (XFEL) ..................................................... 63
Analyse non-normale de stabilité hydrodynamique d'écoulements d'ablation en fusion par
confinement inertiel .......................................................................................................................... 64
Instabilité de Vishniac dans les restes de supernova ........................................................................ 65
Génération et utilisation des chocs approchant le GBar .................................................................. 66
Optique et lasers ...................................................................................................... 67
Optiques multicouches pour les diagnostics dans le domaine des rayons X sur le Laser Mégajoule68
Etude des défauts dans les traitements multicouches utilisés en régime sub-picoseconde (sub-ps)
........................................................................................................................................................... 69
Étude des propriétés statistiques d’une tache focale laser lissée et de leur influence sur
l’interaction laser-plasma .................................................................................................................. 70
Etude d’un amplificateur laser 1J à 10Hz émettant à 1053 nm en régime picoseconde .................. 71
Elaboration et caractérisation de fibres microstructurées actives à grande aire effective, délivrant
un mode fondamental aplati ............................................................................................................. 72
Développement de nouveaux revêtements antireflets, à base de solutions sol-gel aqueuses, pour
le LMJ................................................................................................................................................. 73
Etude de l’impact de microdéfauts sur la propagation d’un faisceau laser de puissance ................ 74
Physique de la matière condensée........................................................................... 75
Etudes d’équations d’état en compression quasi-isentropique ....................................................... 76
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Étude de l’endommagement et de la réactivité des matériaux énergétiques soumis à une agression
d’origine mécanique de faible amplitude ......................................................................................... 78
Simulation de la post combustion turbulente des produits de détonation avec l’oxygène de l’air . 79
Etude théorique et expérimentale de l’amorçage par choc et de la détonation de compositions
énergétiques intégrant des additifs oxydants et métalliques réactifs .............................................. 80
Effets des corrélations électroniques et du couplage spin-orbite le long de la série des oxydes
d'actinides ......................................................................................................................................... 81
Calcul ab initio de spectres de phonons en température et équation d'état ................................... 82
Physique nucléaire ................................................................................................... 83
Moments magnétiques des états isomères produits par fission ...................................................... 84
Chimie et science des matériaux .............................................................................. 85
Transfert d’étalonnage par LIBS – application à la quantification d’impuretés dans les matériaux
nucléaires métalliques solides .......................................................................................................... 86
Mécanismes radiolytiques de production et recombinaison d’hydrogène dans un système eau
tritiée adsorbée sur zéolithes............................................................................................................ 88
Etude des mécanismes de formation des carbures obtenus par cémentation basse pression d’un
alliage de tantale, application à la pyrochimie.................................................................................. 90
Développement et mise en œuvre par extrusion de membranes nanocomposites hybrides pour
électrolyseur ...................................................................................................................................... 91
Développement de revêtements nanostructurés 3D par procédé sol-gel pour des applications laser
de puissance ...................................................................................................................................... 92
Mécanique, thermomécanique, aérodynamique ....................................................... 93
Caractérisation du comportement de fragmentation dynamique d’enveloppes métalliques
accélérées via des expériences de fragmentation de cylindres à petite échelle .............................. 94
Analyse bayésienne de la détermination de la gerbe d’éclats provoquée par l’explosion d’une
bombe à fragmentation naturelle ..................................................................................................... 96
Modélisation et simulation du comportement de céramiques de blindage sous choc .................... 97
Etude expérimentale de l’endommagement et de la rupture dynamique d’un acier 35NCD16 : de la
caractérisation thermomécanique à la validation sur des problématiques de fragmentation
dynamique......................................................................................................................................... 98
Étude multi-expérimentale des transformations de phases et de leur impact sur les propriétés
mécaniques d’un acier inoxydable austénitique stabilisé au niobium ............................................. 99
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Etude de la nocivité de défauts dans les structures........................................................................ 100
Etude et modélisation d’impacts basses et hautes vitesses sur des matériaux et structures de
satellites .......................................................................................................................................... 102
Capture de particules fines par une mousse aqueuse .................................................................... 103
Modélisation de la fracturation et de la fragmentation par une approche éléments discrets ...... 104
Ablation tridimensionnelle d’un matériau composite en régime d’écoulement hypersonique .... 105
Modélisation de la transition à la turbulence en aérodynamique hypersonique........................... 106
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Atmosphère, géophysique
et environnement
Carte macrosismique du séisme du 17/11/2006 dans les Pyrénées.
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Sujet :
Paramétrisation des ondes de gravité dans un modèle de circulation générale
Contexte :
En raison de l’interaction de la stratosphère et de la troposphère, la plupart des centres de prévisions météorologiques ont
étendu leur modèle de circulation générale à la stratosphère, de façon à améliorer les prévisions à court et moyen terme.
Les échanges dynamiques de la troposphère vers la stratosphère se font en partie par le biais des ondes atmosphériques.
Parmi celles-ci, les ondes de gravité générées par des orages dans la troposphère jouent un rôle clef. Ces ondes se
propagent verticalement dans les couches supérieures et agissent sur l’écoulement moyen de ces couches en déferlant. En
raison de leur basse résolution spatiale, ce phénomène est sous-maille dans les GCMs actuels et doit être paramétrisé.
Cette paramétrisation des ondes de gravité est mal contrainte dans la moyenne atmosphère, où les observations de
températures et de vents ainsi que les mesures d’ondes de gravité sont très restreintes ou délicates à interpréter lorsqu’il
s’agit de mesures satellitaires. Récemment, la génération et la propagation d’ondes de gravité ont été simulées explicitement
par des modèles de météorologie méso-échelle, dont les résultats peuvent être confrontés à des mesures lidar et radar ou
des enregistrements d’ondes infrasonores en surface.
Objectif de la thèse :
Le doctorat porte sur la paramétrisation des ondes de gravité dans un modèle de circulation générale (GCM) simulant la
circulation atmosphérique entre la surface et environ 80 km d’altitude, qui est la limite actuelle des modèles opérationnels.
Ce thème de recherche s’inscrit dans le contexte du projet européen ARISE2 (Atmospheric dynamics Research
InfraStructure in Europe), porté par le CEA et soumis en septembre 2014. Ce projet, qui fait suite à ARISE1, a pour objectif
de mieux connaître la dynamique des différentes couches de l’atmosphère et leur interaction en s’appuyant sur un réseau de
stations puis d’assimiler ces mesures dans les modèles de météorologie. L’infrastructure comprend en particulier un réseau
de stations infrasonores développées dans le cadre du TICE et un réseau utilisant des lidar qui mesurent pendant la nuit la
température entre 30 et 90 km d’altitude. La thèse, basée sur des simulations de météorologie méso-échelle et à échelle
globale, s’effectuera en collaboration avec le Département de Météorologie de l’Université de Reading, partenaire du projet.
Elle a pour objectif d’améliorer la représentation du processus de dépôt d’énergie lors du déferlement des ondes de gravité
dans la moyenne atmosphère.
Déroulement de la thèse :
Le doctorant effectuera d’abord une recherche bibliographique approfondie sur la paramétrisation des effets des ondes de
gravité dans les GCMs. On s’intéressera en particulier à celle du modèle HadGEM, développé par l’Université de Reading et
à celle de LMDZ, développé à l’IPSL (Institut Pierre et Simon Laplace). On se propose ensuite pour une région donnée, de
simuler différents épisodes orageux avec une résolution suffisamment élevée pour modéliser explicitement la génération et
la propagation d’ondes de gravité. Les simulations seront validées par les mesures de champs de vents locaux (qui incluent
des mesures de pression au sol) des mesures lidar ou radar. Le doctorant simulera ensuite des événements orageux sur
une période de quelques mois afin d’obtenir une climatologie (à l’échelle du mois ou de la saison) des ondes de gravité
d’origine convective pour cette région. Parallèlement, les forces induites sur la circulation générale sont calculées à partir
des champs de vents simulés et seront comparées à celles paramétrisées dans les modèles de circulation générale à une
latitude et une saison données. On envisagera enfin une nouvelle paramétrisation dans HadGEM et on déterminera son
impact sur les champs de vents calculés dans la stratosphère et la troposphère.
Intérêt pour le CEA :
Cette thèse, qui contribue à améliorer nos outils opérationnels d’analyse, se situe dans la continuité du projet européen
ARISE, et doit renforcer nos liens avec les équipes françaises et internationales, notamment dans l’optique du programme
européen H2020, de son volet sur le développement des infrastructures de recherche et des études sur le changement
climatique. L’intérêt pour le CEA est une meilleure connaissance de la moyenne atmosphère où la propagation des infrasons
est largement perturbée par les ondes de gravité.
Compétences requises :
Le candidat devra posséder des connaissances en géophysique (dans le domaine de l’atmosphère), en mécanique des
fluides et en modélisation numérique.
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Références ARISE :
Blanc, E., T. Farges, A. Le Pichon, and P. Heinrich, (2014). Ten year observations of gravity waves from thunderstorms in
western Africa, J. Geophys. Res. Atmos., 119, 6409-6418, doi:10.1002/2013JD020499.
Costantino, L., Heinrich, P., Mze, N., Hauchecorne, A. Convective gravity wave propagation and breaking in the
stratosphere, comparison between WRF model simulations and LIDAR data Submitted to Ann. Geophys
Charlton-Perez, A. J., et al. (2013), On the lack of stratospheric dynamical variability in low-top versions of the CMIP5
models, J. Geophys. Res., 20, 2494–2505.
Richter, H., A. Solomon, and J. T.Bacmeister (2014), Effects of vertical resolution and nonorographic gravity wave drag on
the simulated climate in the Community Atmosphere Model, version 5, .J. Adv. Model. Earth Syst.,6, 357–383,
doi:10.1002/2013MS000303.
Contact : Philippe Heinrich, ([email protected] ; [email protected])
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Sujet :
Etude globale du bruit océanique pour une meilleure connaissance de la dynamique atmosphérique et de
ses incertitudes
Contexte :
La dynamique de la moyenne atmosphère (MA, ~10-90 km) est devenue depuis 15 ans environ, un axe de recherche majeur
pour la communauté scientifique. Les modèles de circulation générale sont contraints par de nombreuses observations dans
la troposphère et basse stratosphère, et faiblement résolus dans la haute stratosphère où les observations sont rares et
irrégulièrement échantillonnées (Charlton-Perez, et al. 2013). L’extension de ces modèles à la haute stratosphère rend
d’autant plus nécessaire une description des perturbations atmosphériques de petite échelle et la recherche de nouvelles
techniques de sondages directes ou indirectes. L’exploitation des mesures du réseau d’observation d’ARISE (http://ariseproject.eu/) contribue à améliorer les modèles dynamiques de la MA. Un des objectifs est de mieux caractériser les
perturbations majeures (ondes planétaires ou réchauffements stratosphériques) et d’évaluer leurs impacts sur les prévisions
météorologiques. Les comparaisons réalisées entre différentes techniques de sondage du réseau d’observation d’ARISE et
les sorties des modèles de circulation générale montrent dans la stratosphère des différences qui peuvent dépasser 20K
pour la température et 30 m/s pour la vitesse du vent. De telles différences affectent significativement la propagation des
infrasons.
Dans le cadre de ses missions de surveillance, le CEA/DIF/DASE exploite en routine les données du SSI (Système de
Surveillance International) mis en place pour le contrôle du TICE (Traité d'Interdiction Complète des Essais). Dans la bande
de fréquence d’intérêt pour la surveillance des explosions (de 0.02 à 4 Hz), la houle océanique est une source dominante et
permanente de signaux (Landés et al., 2014). Souvent localisés au centre des dépressions, les signaux de période comprise
entre 5 et 8 s, résultent d’interactions non-linéaires d’ondes entretenues à la surface de l’océan qui transfèrent une partie de
leur énergie dans l’atmosphère. Leur suivi en continu est particulièrement adapté à l’étude des perturbations des grands
courants atmosphériques. Les stations du SSI fournissent ainsi depuis plus de dix années, une image détaillée et unique de
la dynamique atmosphérique sur des échelles de temps comprises entre quelques minutes et plusieurs années. Exploité
dans un mode de fonctionnement continu, ce réseau du SSI rend possible l’élaboration d’un système global, passif et
performant pour la surveillance de l’environnement. Il trouve aussi de nouvelles applications par l’étude des lois de
circulation atmosphérique à l’échelle planétaire et ouvrent des perspectives sur des études futures liées au climat.
Si la surveillance par infrason de la houle océanique est aujourd’hui un thème de recherche actif, le couplage entre la
surface des océans, la terre et l’atmosphère reste encore peu étudié. Des études menées sur le bruit sismique longue
période généré par la houle océanique ont proposé des mécanismes de source similaires à ceux des signaux infrasons
(Stehly et al., 2006). L’analyse de données complémentaires sismiques et infrasons permettra de caractériser plus finement
la source de bruit océanique (localisation, intensité, contenu spectral) et les mécanismes de couplage aux interfaces
océan/atmosphère/terre.
Pour mener ces travaux, le candidat aura à sa disposition une base pluriannuelle d’enregistrements de la houle détectée par
le réseau du SSI et des réseaux d’observation sismiques ainsi que des modèles de sources hydrodynamiques développés
par Ifremer (Ardhuin et al., 2011). Des modèles opérationnels de vents et de températures fournis par le centre de prévision
météorologique opérationnel Européen ECMWF seront utilisés pour expliquer les principales directions de propagation des
ondes détectées et leur amplitude selon les régions (équatoriales, tropicales ou haute latitude), la période de l’année et
l’heure de la journée.
La corrélation des détections avec des modélisations conjointes de la source et de propagation pourra mettre en évidence
des anomalies de propagation reliées par exemple à des réchauffements stratosphériques non prédits par les modèles.
Différentes approches directes, ou indirectes basées sur des méthodes d’inversion bayésienne, seront ensuite mises en
œuvre pour évaluer en continu la précision des modèles de vent dans différentes gammes d’altitudes et sur différentes
échelles de temps. Les profils reconstruits seront validés par des sondages de température (Lidar) et de vent (spectromètre
micro-ondes) issus des campagnes de mesures ARISE menées à l’Observatoire Haute-Provence ainsi que sur l’île de la
Réunion. Des données satellites NASA TIMED-SABER pourront aussi être exploitées.
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Une méthodologie sera proposée pour déduire de ces observations complémentaires et globales, des contraintes continues,
intégrées et directionnelles des profils verticaux de température et de vent le long du trajet des ondes acoustiques. Les
retombées attendues de ces travaux concernent une meilleure connaissance de la dynamique atmosphérique et de ses
incertitudes, en particulier grâce à l’apport de nouvelles contraintes observationnelles.
Dans le cadre de la thèse, les collaborations scientifiques établies entre le CEA/DIF/DASE, le LATMOS/IPSL, le Laboratoire
d’Océanographie Spatiale de Ifremer, et le centre de prévision météorologique opérationnel Européen, hébergé par
l’université de Reading (Royaume-Uni), seront renforcées. Elles permettront de mobiliser toutes les compétences
nécessaires à la bonne conduite de la thèse, aussi bien dans le domaine de l’analyse des données que celui des sciences
de l’atmosphère.
Intérêt du sujet pour le CEA :
Pour le CEA/DIF/DASE, les retombées attendues concernent également l’amélioration des outils opérationnels de traitement
et d’analyse grâce à une meilleure connaissance de la MA et de ses incertitudes. En outre, ce projet se situe dans la
continuité du projet européen ARISE au-delà de 2014, en renforçant nos liens avec les équipes françaises et internationales,
notamment dans l’optique du programme européen H2020 et de son volet sur le développement des infrastructures de
recherche. Il permettra d’optimiser des systèmes uniques de mesure, ainsi que les méthodes de traitement et d’analyse déjà
mises en œuvre.
Compétences requises :
Ce sujet se situe à la frontière entre différents domaines de la géophysique, des sciences de la terre à la physique de
l’atmosphère. Le caractère global des études à réaliser nécessite des compétences en traitement des données (traitement
du signal, statistiques, méthodes d’inversion et d’optimisation) et simulation (ondes sismiques et acoustiques). L’étudiant
aura à sa disposition des bases d’enregistrements, des logiciels et des outils de traitement du signal du CEA/DIF/DASE. Des
connaissances en mécanique des fluides seront appréciées ainsi que de bonnes aptitudes à la programmation. Ce travail se
situant à la frontière entre plusieurs disciplines, il nécessite une capacité à interagir avec des experts de différents domaines.
Références :
Landès, M., N. Shapiro, A. Le Pichon, G. Hillers, and M. Campillo (2014), Explaining global patterns of microbarom
observations with wave action models, Geophys. J. Int., 199, 1328-1337, doi: 10.1093/gji/ggu324.
Stehly, L., M. Campillo, and N. Shapiro (2006), A study of the seismic noise from its long-range correlation properties,
J. Geophys. Res., 111, B10306, doi:10.1029/2005JB004237.
Ardhuin, F., E. Stutzmann, M. Schimmel, and A. Mangeney (2011), Ocean wave sources of seismic noise, J. Geophys. Res.,
116, C09004, doi:10.1029/2011JC006952.
Charlton-Perez, A. J., et al. (2013), On the lack of stratospheric dynamical variability in low-top versions of the CMIP5
models, J. Geophys. Res. Atmos., 118, 2494–2505, doi:10.1002/jgrd.50125.
Directeur de thèse et école doctorale : Univ. Paris Diderot, IPGP
Contact : Alexis Le Pichon ([email protected] ; [email protected])
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Sujet :
Modélisations de sources sismiques et de sources explosives sous-marines et de leur propagation à
courte et grande distance en milieu solide et liquide : études de cas et comparaison à des cas réels
Contexte :
Les hydrophones et stations sismiques insulaires ont permis d’enregistrer de nombreuses ondes hydroacoustiques, dites
« ondes T », qui se propagent dans tous les océans.
Ces ondes T peuvent être soit générées dans le milieu liquide, soit générées par des sources se trouvant dans le milieu
solide en bordure du domaine océanique.
Les types de sources sont nombreux, et certains n’ont été découverts que récemment. Jusqu’à présent, on a recensé
comme sources naturelles : les tremblements de terre océaniques et côtiers, les éboulements sous-marins, les éruptions
volcaniques et les chocs et frottements d’icebergs, auxquels il faut rajouter les sources biologiques produites par les grands
mammifères marins. Des sources anthropogéniques sont également enregistrées, comme les explosions sous-marines ou
les campagnes de sismique réfraction.
Les vitesses de propagation dans l’océan ont fait l’objet de nombreuses études et mesures. Lors de profils verticaux de
mesure de température et salinité dans les océans, l’existence d’un guide d’onde (SOFAR) formé par une couche à faible
vitesse a été mise en évidence. Ce guide d’onde se trouve à des profondeurs variables dépendant fortement de la latitude :
vers 1000 mètres de profondeur dans les eaux équatoriales, et à quelques dizaines de mètres de la surface seulement dans
les eaux froides. La cartographie des vitesses a également permis de mettre en évidence des variations horizontales
régionales plus ou moins rapides, liées à l’existence de fronts chauds ou froids dans l’océan. Les vitesses de propagation
sont également dépendantes de la saison, les eaux de surface étant soumises aux variations climatiques.
Dans le milieu marin, les atténuations sont faibles, et les ondes hydroacoustiques peuvent se propager sur des milliers de
kilomètres pratiquement sans distorsion et soumises uniquement à la dispersion géométrique. Cette caractéristique
particulière permet de détecter et enregistrer des sources de faible énergie à très grande distance, de façon bien plus
efficace qu’avec les ondes sismiques se propageant dans le sol. La structure du guide d’onde génère une faible dispersion
fréquentielle entre 2 et 10 Hz, néanmoins mesurable sur plusieurs milliers de kilomètres de propagation.
De nombreuses études ont permis d’inventorier et de caractériser les sources hydroacoustiques, et la technologie
hydroacoustique est utilisée dans le cadre du traité d’interdiction complet des essais nucléaires (TICE) pour détecter
d’éventuelles expérimentations nucléaires sous-marines.
Le Laboratoire de Géophysique de Pamatai (LDG), antenne du Département d’Analyse Surveillance Environnement (DASE)
du CEA en Polynésie, possède un réseau sismique insulaire d’une dizaine de stations qui capte chaque année les ondes
hydroacoustiques de plusieurs milliers de sources naturelles qui sont inventoriées, analysées, localisées et publiées dans un
bulletin hydroacoustique. Le LDG a également accès aux données sismiques et hydroacoustiques du réseau international de
capteurs mis en place pour le respect du traité d’interdiction complète des essais nucléaires (TICE).
Les objectifs de la thèse sont triples et correspondent aux trois phases de propagation d’une source sismique. La thèse
propose tout d’abord d’étudier la transmission de l’énergie sismique d’une source terrestre au milieu acoustique en étudiant
la conversion des phases P et S sur une géométrie de talus continental donnée. Le cas particulier des séismes profonds
dont l’énergie remonte dans le slab pourra être particulièrement étudié. Ensuite, la propagation à longue distance dans
l’océan sera modélisée et comparée à celle de cas réels, ce qui permettra d’évaluer l’atténuation physique des ondes
hydroacoustiques dans les très basses fréquences, domaine peu étudié jusqu’à présent. Enfin, la réception à terre par une
station sismique en bord de côte sera étudiée afin de déterminer le type d’onde sismique généré, la profondeur et la
géométrie de côte auxquelles la conversion acoustique/sismique est la plus favorable. Ceci permettra de définir des critères
de choix d’emplacement pour les stations sismiques dédiées à la surveillance hydroacoustique.
Ces études pourront s’appuyer sur la modélisation 3D des conversions grâce à un logiciel développé au DASE et sur la
comparaison avec des cas réels de sources sismiques, à terre, et explosives, en mer qui sont disponibles au laboratoire de
Pamatai.
20 / 108
1.
Etude de la théorie et des principes de la propagation hydroacoustique.
2.
Prise en main du logiciel développé par le DASE, ces deux parties (1. et 2.) pouvant se dérouler au DASE/SLDG, dans
le laboratoire SEG.
3.
Etude de la conversion sismique/hydroacoustique dans des géométries synthétiques, puis réelles.
4.
Etude de la propagation hydroacoustique et comparaison avec des signaux réels d’explosion. Estimation de
l’atténuation TBF et de la dispersion.
5.
Etude de la conversion hydroacoustique/sismique, estimation du rendement de conversion et définition de critères de
positionnement optimal de stations sismiques « ondes T ».
Le travail conjuguera des activités nécessitant la compréhension des phénomènes sismiques et hydroacoustiques,
l’utilisation du traitement du signal ainsi que l’exploitation de logiciels (simulation de la propagation, de la source…).
Encadrants CEA : O. Hyvernaud & D. Reymond (LDG-Pamatai, CEA/DIF/DASE), P.F. Piserchia (CEA/DIF/DASE)
Contacts : [email protected], [email protected], [email protected]
21 / 108
Sujet :
Développement d’un système de mesure ultra-compact à coïncidence électron/photon pour la détection
et la caractérisation de gaz rares radioactifs
Contexte :
Les accidents graves de réacteurs nucléaires sont susceptibles de conduire à des rejets atmosphériques de produits de
fission. La prévision de l’impact sanitaire, vis-à-vis des populations, est aujourd’hui réalisée en partie par la simulation du
transport atmosphérique du panache radioactif. Dès les premières heures de la crise, il est important de pouvoir conforter
ces prévisions par des mesures in-situ. Le retour d’expérience, en particulier lors de l’événement de Fukushima en 2011, a
montré que les gaz rares étaient rejetés à l’atmosphère de manière privilégiée et en quantité importante. Parmi ces gaz
éléments, plusieurs isotopes radioactifs du xénon sont particulièrement adaptés à une mesure à proximité du site sur un
temps limité.
La détection et la caractérisation des radioxénons est aujourd’hui réalisée en routine en laboratoire pour des applications de
surveillance de l’environnement notamment dans le cadre du traité TICE (Traité d’Interdiction Complète des Essais
Nucléaires). Cette détection, à très bas niveau et à grande distance, est réalisée au prix du traitement de volumes d’air
importants. Elle met en œuvre des équipements de prélèvement et détection volumineux inadaptés à des mesures de
terrain.
L’étudiant aura en charge le développement et la modélisation d’un dispositif de détection ultra-compact faisant appel à des
technologies de détections innovantes basées sur l’utilisation de détecteurs silicium pixellisés combinant une grande surface
sensible ainsi qu’une très haute résolution permettant la détection et la mesure des radioxénons par coïncidence photonélectron. Cette thèse est à forte composante expérimentale, elle conduira à la réalisation d’un prototype intégrant l’ensemble
des contraintes opérationnelles (compacité, faible consommation électrique, durcissement) et permettant d’atteindre les
sensibilités de détection requises.
-
Synthèse bibliographique/état de l’art
Prise en main des systèmes de détection de laboratoire
Modélisation des différentes solutions techniques, intégration des contraintes opérationnelles
Suivi de réalisation avec le partenaire industriel
Test, validation, estimation des performances métrologiques
Rédaction, publications.
Directeur de thèse et école doctorale : J.Aupiais. Université Paris 6
Contact : G.Douysset, G. Le Petit (DIF/DASE/SRCE) – Tél. : 01 69 26 40 00
22 / 108
Sujet :
Apport de l’assimilation d’observations à la prévision de la dispersion atmosphérique et des
conséquences de rejets accidentels d’installations industrielles
Contexte :
L’accident nucléaire de Fukushima en mars 2011 constitue un exemple récent d’une situation qui, à la fois, se prête très bien
à la modélisation / simulation et en révèle des limites. En effet, d’un côté, les outils numériques offrent la possibilité
d’effectuer la prévision ou la reconstruction des écoulements atmosphériques et de la dispersion de rejets et peuvent être
déclinés entre échelle locale, intermédiaire ou globale. D’un autre côté, les difficultés à établir des termes sources très
complexes en cinétique et nature, ainsi qu’à reproduire par le calcul des grandeurs météorologiques, y compris localement,
au plus près des observables, amènent des questionnements qui, à ce jour, ne sont que partiellement réglés. Si la situation
de Fukushima a été particulièrement frappante, cet accident n’est bien sûr pas unique, dans le domaine industriel où de
nombreuses substances chimiques ou radioactives peuvent impacter, à des niveaux très divers, l’environnement et la santé
humaine. La problématique de conciliation entre calculs et observations apparaît donc comme un enjeu crucial, d’autant plus
lorsqu’une prise de décisions lui est attachée comme c’est le cas en situation de crise, et motive la réalisation d’un travail de
thèse.
Cette recherche s’attachera à dégager une méthodologie générale de prise en compte dans les simulations numériques, de
mesures réalisées au voisinage d’installations susceptibles d’émettre des rejets à l’atmosphère. Tout d’abord, l’assimilation
d’observations conduisant à modifier plus ou moins localement, les écoulements et la dispersion produits par simulation et /
ou à ajuster les termes sources par rétro-dispersion depuis des capteurs, on s’interrogera sur la stratégie à adopter selon la
connaissance de la météorologie et des termes sources et la confiance accordée à ces paramètres. Par ailleurs,
l’assimilation de données faisant appel à différentes méthodes et algorithmes, on évaluera leurs avantages et inconvénients,
notamment en termes de précision et de rapidité de mise en œuvre. Le choix en nature et nombre des données à assimiler
sera aussi questionné, ainsi que la possibilité d’intégrer des informations de mesures, non pas en reprenant tous les calculs,
mais progressivement, en fonction, par exemple, de leur remontée du terrain. L’objectif d’effectuer, y compris dans un cadre
opérationnel, des simulations en meilleur accord possible avec les observations existantes devra sous-tendre l’ensemble du
travail de thèse.
La période de T0 (démarrage de la thèse) à T0 + 6 mois sera consacrée à la bibliographie, incluant le bilan synthétique et
critique des méthodes d’assimilation de données. La période de T0 + 6 mois à T0 + 18 mois sera dévolue à la prise en main
des outils techniques intervenant dans l’étude (modèles de calcul, algorithmes déjà existants et disponibles…) et à leur mise
en œuvre sur un ou des terrains d’étude (pour lesquels toutes les données nécessaires auront été rassemblées). La période
de T0 + 18 mois à T0 + 30 mois sera destinée au développement de méthodes innovantes d’assimilation de données et
inclura l’approfondissement des aspects scientifiques, des développements informatiques, des tests de méthodes, ainsi que
l’analyse des résultats, dans une démarche itérative. La période de T0 + 30 mois à T0 + 36 mois sera consacrée à la
rédaction du mémoire de thèse.
Les outils de simulation de la météorologie et de la dispersion seront choisis selon l’échelle examinée et adaptés aux études
de fond ou à la réponse rapide. Ce seront les outils pratiqués par le CEA et par l’organisme cofinançant la thèse. Les
terrains d’étude permettant de valider les algorithmes d’assimilation de données consisteront en des expérimentations en
soufflerie ou en vraie grandeur et des situations accidentelles réelles. Le choix des cas d’application des travaux de thèse
sera précisé au fil de l’avancée de l’étude, en fonction de la disponibilité des données, de la pertinence vis-à-vis des points
examinés dans la thèse, enfin de l’intérêt pour le CEA et l’organisme co-encadrant les travaux.
Contact : Patrick ARMAND (CEA, DAM, DIF, F-91297 Arpajon, France) – Tél. : 01 69 26 40 00
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Sujet :
Modélisation de la diffusion de la lumière des éclairs par les nuages et validation avec le satellite
TARANIS
Contexte :
Les orages sont présents partout dans le monde. Ils produisent des éclairs qui émettent des ondes acoustiques (tonnerre) et
électromagnétiques (optiques et radios). Depuis les années 1970, ces derniers sont observés depuis l’espace, mais c’est
uniquement depuis le milieu des années 1990 que des imageurs sur des satellites en orbite basse ont permis de dresser les
premières cartes globales de l’activité électrique des orages. La prochaine génération des satellites géostationnaires de
météorologie (MTG – Meteosat Third Generation - pour l’Europe, GOES - Geostationary Operational Environmental Satellite
- pour les Etats-Unis) seront équipés pour la première fois d’imageurs d’éclairs. L’apport de ces instruments sera crucial pour
l’alerte temps réel des phénomènes météorologiques violents (pluie torrentielle, crue subite, tornade…). Parallèlement à
cela, le satellite défilant TARANIS (Tool for the Analysis of RAdiations from lightNIngs and Sprites) du CNES aura pour
objectif de mesurer les transferts énergétiques impulsionnels entre la troposphère et les plus hautes couches de
l’atmosphère. Ce satellite, en cours de fabrication, sera équipé de caméras et de photomètres qui permettront d’étudier les
éclairs d’orage de manière fine et complémentaire aux mesures opérationnelles des satellites géostationnaires MTG et
GOES. Il sera lancé fin 2017 (http://smsc.cnes.fr/TARANIS/Fr/).
Les décharges électriques qui constituent les éclairs se produisent généralement dans et en dessous du nuage. Depuis
l’espace, seule la lumière diffusée par le nuage est visible. La compréhension du transfert radiatif par le nuage de la lumière
produite par les décharges qui se produisent à l’intérieur du nuage est donc fondamentale. La modélisation de ce transfert
en tenant compte de la géométrie 3D des décharges orageuses ainsi que les propriétés microphysiques des nuages
permettra de comprendre les observations réalisées depuis l’espace.
Le Laboratoire d’Optique Atmosphérique (LOA) s’intéresse au transfert radiatif dans l’atmosphère et plus précisément à la
propagation du rayonnement solaire et infrarouge à travers l’atmosphère terrestre, en prenant en compte l’effet des gaz, des
aérosols et des nuages. Les codes de transfert radiatif développés au LOA seront utilisés afin de simuler la propagation de
la lumière dans les nuages à une longueur d’onde donnée à partir de la base ARTDECO (Atmospheric Radiative Transfer
Database for Earth Climate and Observation). Ces codes permettent de calculer les grandeurs radiatives à tous les niveaux
de l’atmosphère, en supposant celle-ci stratifiée en couches planes et parallèles (hypothèse 1D) ou, d’une façon plus
réaliste, en prenant en compte les hétérogénéités spatiales (hypothèse 3D). La définition des propriétés des nuages
s’appuiera sur la modélisation de cellules convectives à l’aide du code RAMS (Regional Atmospheric Modeling System) pour
les profils nuageux (température, humidité, etc.), ainsi que sur les codes de calcul des propriétés optiques des gouttes
liquides ou des cristaux de glace disponibles dans la base ARTDECO.
Le Département analyse surveillance, environnement (DASE) du CEA, qui propose avec le LOA ce sujet de thèse, est
responsable scientifique de l’instrument optique à bord du satellite TARANIS. Cet instrument, nommé MCP (MicroCaméras
et Photomètres), est destiné à observer les éclairs et les évènements lumineux transitoires qui se produisent dans la haute
atmosphère. Le DASE a déjà mis en œuvre une expérience probatoire pour ce type de mesure à bord de la Station Spatiale
Internationale entre 2001 et 2004 (expérience LSO). MCP est composé de deux caméras et de quatre photomètres
fonctionnant dans des gammes de longueurs d’onde différentes. Les photomètres apporteront une description précise de
l’intensité des éclairs ainsi que la variation temporelle du signal alors que les caméras permettront de localiser les éclairs et
d’identifier d’éventuelles structures qui peuvent être liées à la géométrie des décharges.
Le Laboratoire d’Etudes du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique et Atmosphères (LERMA) du CNRS, fournira
son expertise sur les éclairs et la distribution 3D des décharges orageuses. Cette géométrie est mesurée finement,
seulement depuis les années 2000, avec des capteurs électromagnétiques au sol de type Lightning Mapping Array (LMA)
enregistrant les signaux VHF (60 MHz) émis par ces décharges. Différents réseaux LMA sont déployés dans le monde, y
compris en Corse (réseau SAETTA). Un modèle de distribution géométrique 3D des sources lumineuses pourra être déduit
de ces mesures. Introduit en entrée dans les codes du LOA, il permettra de générer une image et un signal temporel de
24 / 108
l’éclair vu par un satellite. Ces simulations pourront être validées lors du survol de TARANIS d’un éclair vu simultanément
par un système LMA.
La thèse proposée ici aura pour objectif de modéliser la lumière émise par les décharges orageuses et reçue par un satellite
en orbite basse (TARANIS) ou en orbite géostationnaire. Pour cela, il sera nécessaire de modéliser les sources lumineuses
et leur géométrie 3D. Il faudra ensuite calculer le transfert radiatif de ces sources au sein du nuage à partir de profils de
microphysique réalistes. On utilisera pour cela les modèles de transfert radiatif développés au LOA. Les photons qui sortent
du nuage seront transportés jusqu’aux capteurs de TARANIS dont des modèles radiométriques et géométriques ont été
développés par le DASE. Les résultats du modèle seront comparés aux observations de TARANIS. L’observabilité des
éclairs et la détermination de certaines de leurs caractéristiques depuis l’espace en seront ainsi déduites et interprétées.
1.
Simulations 1D pour évaluer la sensibilité à différents paramètres comme par exemple : la profondeur de la source
lumineuse dans le nuage par rapport au sommet du nuage, la microphysique des nuages (contenu en eau, en glace ;
taille des cristaux…), ou la longueur d’onde des photons émis par l’éclair.
2.
Simulation 3D pour évaluer l’impact de la géométrie 3D des décharges et des nuages dans les images vues de
l’espace.
3.
Validation avec mesures de TARANIS et observations conjointes au sol (systèmes LMA en Corse ou ailleurs dans le
monde).
Le travail conjuguera des activités nécessitant le recours à la modélisation et l'analyse de données. Il s’effectuera dans un
premier temps au LOA puis au DASE, après le lancement de TARANIS.
Directeur de thèse : Philippe Dubuisson (Professeur, Laboratoire d’Optique Atmosphérique, Université Lille 1)
Ecole doctorale : 104 : SCIENCES DE LA MATIERE, DU RAYONNEMENT ET DE L'ENVIRONNEMENT (SMRE),
Université Lille 1
Encadrant CEA : Thomas Farges (Ingénieur de Recherche, CEA/DIF/DASE)
Co-Encadrant : Eric Defer (CR1, LERMA, Observatoire de Paris, CNRS)
Contact : [email protected] et [email protected]
25 / 108
Sujet :
Influence de la turbulence atmosphérique sur la propagation des ondes infrasonores à grande distance
Contexte :
Dans le contexte du Traité d'Interdiction Complète des Essais Nucléaires, le Système de Surveillance International
développe un réseau de stations micro-barométriques mesurant les ondes infrasonores. Ces ondes acoustiques très basses
fréquences (0.05 à 10 Hz) sont émises par des sources variées (explosions, volcans, météorites...) et peuvent se propager
sur des milliers de kilomètres.
La propagation des ondes infrasonores est fortement influencée par les conditions atmosphériques à l'échelle globale mais
également par les petites structures de l'atmosphère. Ces hétérogénéités, par leur caractère aléatoire, induisent des
variabilités spatiales et temporelles des caractéristiques des signaux mesurés aux stations barométriques.
D'un point de vue opérationnel, les capacités de détection et de caractérisation de la source en sont impactées.
L'objectif de la thèse consiste à modéliser et à caractériser l'influence de la turbulence atmosphérique sur la propagation des
ondes infrasonores
Le sujet proposé consiste à développer des modèles physiques et numériques de propagation des ondes acoustiques en
milieu aléatoire. Des simulations en atmosphère réaliste seront ensuite appliquées afin de confronter, de manière statistique,
les modèles à des mesures. Des modèles des petites échelles de l'atmosphère basés sur les modèles d'ondes de gravité de
la littérature seront d'abord développés. Le scattering des ondes infrasonores par ces hétérogénéités, qui s'apparente à de
la turbulence hétérogène et anisotrope, sera ensuite introduit dans des modèles de propagation. Les méthodes de tracé de
rayons, de l'approximation parabolique et des différences finies seront adaptées et développés afin d'intégrer ce phénomène
en plus des effets non linéaires, de l'absorption atmosphérique et de la météorologie grande échelle. Enfin, l'influence des
petites échelles de l'atmosphère sur l'azimut, le temps d'arrivée et la vitesse apparente des ondes infrasonores ainsi que sur
le niveau de pression et la signature acoustique sera étudiée notamment en comparaison avec des mesures réalisées au
CEA/DIF/DASE.
Directeur de thèse et école doctorale : Philippe Blanc-Benon, Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique,
UMR CNRS 5509, Ecole centrale de Lyon Ecole Doctorale : Mécanique Energétique Génie civil, Acoustique (MEGA) Ecole
centrale Lyon
Contact : Olaf Gainville CEA/DIF F-91297 Arpajon, tel : 01 69 26 40 00
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Electromagnétisme
Chambre Titan
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Electromagnétisme
S
SU
UJJE
ETT P
PH
HA
AR
RE
E
Sujet :
Modélisation précise de milieux fortement hétérogènes en domaine hyperfréquence
Contexte :
Dans le domaine de la furtivité RADAR ou furtivité électromagnétique, de nombreux acteurs industriels développent depuis
des années des outils de simulation les plus complets possibles. Le domaine concerné est celui de la diffraction d’ondes
planes mono-fréquentielles en milieu non borné. Les codes de calcul traitant de cette problématique sont basés sur la
résolution des équations de Maxwell dans le domaine fréquentiel. Ils diffèrent par leurs périmètres d’utilisation et les
méthodes numériques qui y sont mises en œuvre.
Traditionnellement, ces modélisations supposent que les matériaux à prendre en compte sont bien décrits par la donnée
d’un tenseur de permittivité électrique et d’un tenseur de perméabilité magnétique (tenseurs éventuellement variables en
espace). Or cette hypothèse n’est pas toujours fondée dans le cas de milieux fortement hétérogènes, c’est-à-dire
comprenant des inclusions aux caractéristiques radicalement différentes de la matrice d’accueil ; ces inclusions peuvent par
exemple être très conductrices. La moyenne des propriétés ou leur « homogénéisation » est un thème d’études classique,
que nous proposons ici d’aborder du point de vue de la SER, donc des champs diffractés à l’infini.
L’objectif de la thèse est de développer et de confronter deux types de modélisation de milieux fortement hétérogènes, l’une
exacte susceptible de fournir des solutions de références (pour un coût de calcul éventuellement élevé, ponctuellement
envisageable sur le super-calculateur TERA) et l’autre approchée pour offrir aux concepteurs des outils d’évaluation souples
et rapides. Ces modélisations devront être compatibles des outils de simulation très hautes performances utilisées au CEA.
Une attention particulière sera accordée, quand cela sera possible, à la restitution de caractérisations hyperfréquences.
La thèse comptera au moins les trois points suivants :
-
-
-
Disposer de cas de référence est incontournable. Faute de solutions analytiques pertinentes, des solutions numériques
exactes (résolution complète des équations de Maxwell, sans approximation) devront être déterminées. Ce travail se
fera au sein du Laboratoire LOR du CESTA, responsable du développement et de l’optimisation des codes de calcul
sur la machine TERA.
La seconde tâche à mener, éventuellement en parallèle, est plus théorique : elle aura pour objet l’application au
domaine de l’électromagnétisme des travaux récents du Laboratoire POEMS (INRIA) en termes de modélisation de
milieux hétérogènes. Ces travaux, dirigés par le directeur de thèse pressenti, Patrick Joly, amènent à considérer des
conditions limites d’un nouveau genre, partiellement non locales. La compatibilité de telles conditions avec les outils de
calcul existants est une priorité du travail à mener.
In fine, la modélisation retenue et son implémentation devront être confrontées avec les nombreux modèles fournis par
la littérature. On peut souligner qu’un bilan comparatif de ces modèles, à l’aune de la SER, présente en soi un intérêt
scientifique notable.
Directeur de thèse et école doctorale : Patrick Joly, Equipe POEMS, INRIA Rocquencourt. Ecole Doctorale du Centre de
Mathématiques Appliquées de l’Ecole Polytechnique
Contact : Olivier Vacus, David Goudin – CEA/CESTA – [email protected] – 05.57.04.40.00
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Electromagnétisme
Sujet :
Etude à cœur des propriétés de matériaux innovants par la compréhension de la propagation de l’onde
électromagnétique à travers l’onde de choc dans la gamme de fréquence 1GHz – 3 THz
Contexte : Le CEA/Gramat étudie le comportement de matériaux sous choc nécessitant l'usage de métrologies
dynamiques. L’interférométrie Doppler radiofréquence (1 - 100 GHz) a été identifiée comme une technique très prometteuse
de mesure de vitesse de choc au sein de matériaux radio-transparents dans une plage de mesure de 0 à 10 km/s. Cette
mesure de vitesse de choc va permettre d’analyser la micro et la nano-structuration de matériaux pour l’amélioration de leurs
performances. Pour les matériaux inertes (bétons composites, céramiques…), l’étude à cœur de leurs propriétés sous choc
va permettre de renforcer la compréhension des phénomènes dynamiques (polaire de choc). Pour les matériaux
énergétiques, cette étude permettra de maîtriser de manière fiable leurs conditions d’amorçage et d’évaluer leurs
performances détoniques. Ce travail de thèse consistera donc en l’étude à cœur de matériaux par la compréhension de la
réflexion et de la transmission de l’onde électromagnétique à travers l’onde de choc dans la gamme de fréquence 1 GHz –
3 THz. Deux techniques d’interrogation, à savoir l’interférométrie de déplacement (ou de vitesse) et le radar par modulation
de fréquence, sont envisagées aujourd’hui et permettront d’orienter les choix de conception d’une métrologie radiofréquence
résolue en temps et en espace, repoussant significativement les limites de performances des systèmes de mesure actuels.
De nombreuses applications civiles ou militaires découlant de ces mécanismes de communication à travers une interface
complexe (haute pression, haute température, plasma…) concernent également les domaines du spatial, de l’aéronautique
et de l’énergie.
Objectif de la thèse : L’objectif de la thèse est d’approfondir la compréhension des phénomènes de propagation d’une onde
électromagnétique à travers une onde de choc, afin d’optimiser le diagnostic de mesure existant et d’accéder aux
phénomènes transitoires inaccessibles jusqu’à présent.
Les points qui devront être abordés dans ce domaine concernent :
-
l’identification des avantages/ inconvénients, et des limites des méthodes existantes (interférométrie ou radar),
la modélisation de la propagation du signal radiofréquence dans un assemblage multicouches,
la recherche du phénomène(s) responsable(s) de la réflexion radiofréquence sur l’onde de choc (gradient ou
saut de densité, de température, de pression…),
l’étude, la modélisation et l’influence de la permittivité de ces nouveaux matériaux sains,
la transmission d’une onde radiofréquence dans un solide et dans un mélange gazeux pour un état de choc
soutenu, et/ou non soutenu,
La modélisation et l’influence de la permittivité du milieu choqué pour le dépouillement des méthodes
envisagées,
le développement d'un outil adapté de traitement du signal brut : transformée de Fourier glissante, ondelettes
continues, analyse de signaux déphasés...
le calcul d’incertitude sur le dépouillement de la grandeur d’intérêt, définition d’un banc d’étalonnage pour le
raccordement métrologique.
Ces différents points permettront d’orienter les choix technologiques, notamment la fréquence ou la plage de fréquence en
terme de transparence des matériaux d’intérêt, et de résolution spatiale inférieure ou égale à 1 mm sur une profondeur
pouvant aller de 0 à 500 mm. La résolution temporelle du système devra être de l’ordre de 1 ns. L’étude devra analyser la
possibilité de travailler avec un faisceau collimaté (faisceau parallèle) afin de garantir fidèlement la localisation de la réflexion
radiofréquence sur l’onde de choc avec une zone la plus faible possible (de l’ordre de quelques mm²).
Déroulement de la thèse : Les travaux du doctorant seront centrés tout d’abord sur la compréhension et la modélisation de
la propagation de l’onde électromagnétique à travers une onde de choc et dans le milieu complexe en aval de celle-ci. Des
mesures expérimentales de vitesse de choc seront réalisées pour l’étude des propriétés de matériaux innovants sur un site
d’expérimentations de physique du choc avec les matériels existants. Par la suite, le doctorant sera amené à améliorer les
méthodes de dépouillements actuelles et à orienter les choix technologiques pour un appareil futur. Le travail sera encadré
par le Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes (LAAS CNRS) et le CEA/Gramat.
Directeur de thèse et école doctorale : Professeur Hervé Aubert (LAAS CNRS, [email protected]), DR Patrick Pons (LAAS
CNRS, [email protected] ED 323 -Toulouse III - Génie Electrique, Electronique, Télécommunications
Contact : [email protected] – [email protected] – CEA/Gramat – 05 65 10 54 32
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Electromagnétisme
Sujet :
Méthode d’estimation des valeurs extrêmes des distributions de contraintes induites et de seuils de
susceptibilité dans le cadre des études de durcissement et de vulnérabilité aux menaces
électromagnétiques intentionnelles
Contexte :
Les études de durcissement et de vulnérabilité des systèmes vis-à-vis des menaces électromagnétiques passent par une
comparaison des niveaux de contraintes induits par ces menaces avec des seuils de résistance des électroniques de ces
systèmes. Dans la pratique, ces niveaux de contraintes et ces seuils de susceptibilités dépendent de nombreux paramètres
et sont approchés par des distributions statistiques. Dans cette démarche, les valeurs extrêmes des distributions jouent un
rôle important et sont pourtant difficilement accessibles. Elles conditionnent en particulier les marges nécessaires à
l’obtention de l’assurance de la tenue de la cible ou de l’assurance de l’efficacité de l’arme.
Cette thèse s’intéresse particulièrement à l’optimisation des méthodes mathématiques de détermination des distributions de
contraintes et de susceptibilité des équipements électroniques, et notamment à la convergence la plus rapide possible pour
l’obtention des valeurs extrêmes qui composent celles-ci.
L'objectif de la thèse est de définir des méthodes d’évaluation permettant de caractériser les distributions de contraintes et
de susceptibilité et en particulier leurs valeurs extrêmes et de définir une méthode d’évaluation des probabilités d’effet (ou de
non effet). Pour ce qui concerne les aspects relatifs aux contraintes, le candidat s’intéressera aux techniques d’analyse de
risques de cas extrêmes qui sont fondées sur l’utilisation d’un modèle simplifié qui permet de converger vers une solution en
un nombre réduit d’appels à un code de simulation numérique par exemple.
Il sera également demandé de définir les méthodes et moyens qui permettraient d’approcher la distribution des seuils de
susceptibilité des équipements.
La première partie sera consacrée à l’étude bibliographique des différentes méthodes d’estimation de probabilités de
quantiles extrêmes et aura pour objectif :
-
d’analyser les méthodes d’évaluation des probabilités d’effet ou de non effet mise en œuvre actuellement,
-
de mesurer l’impact des caractéristiques des distributions sur les probabilités obtenues, notamment l’influence des
queues de distribution,
-
de définir des méthodes d’évaluation de ces valeurs extrêmes.
Dans la deuxième partie des travaux, les outils d’évaluation de ces valeurs extrêmes seront mis en œuvre. Il s’agira non
seulement de produire les outils numériques et expérimentaux nécessaires à l’obtention des valeurs extrêmes des
contraintes et des seuils de susceptibilité.
Dans la dernière partie, il s’agira d’imaginer une méthode de démonstration de la validité de la méthode de détermination de
la probabilité de survie d’un équipement réel pour une agression représentative produite à partir des moyens du
CEA/Gramat.
Directeur de thèse et école doctorale : IETR – INSA – Université de Rennes
Contact : [email protected] - CEA/GRAMAT - 05 65 10 54 32
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Electromagnétisme
Sujet :
Modélisation par la méthode de Kirchhoff-Kron des effets des ondes électromagnétiques sur des
systèmes complexes
Contexte :
Les explosions nucléaires haute altitude sont à l’origine d’une forte impulsion électromagnétique qui affecte de très grandes
surfaces (voire un pays comme la France tout entier) et sont à l’origine de perturbations pouvant conduire à
l’endommagement, voire à la destruction des systèmes électriques et électroniques.
La propagation des ondes électromagnétiques et leur couplage avec des géométries et structures complexes est
“couramment” accessible par des codes d’électromagnétisme travaillant dans le domaine temporel ou fréquentiel, méthodes
aux éléments ou aux différences finis. Toutefois, lorsque l’ensemble de la structure et de ses équipements devient trop
complexe (un avion ou un navire par exemple), ce type de méthode devient très coûteux en temps et en volume de calcul.
Elles ne peuvent donc être envisagées qu’exceptionnellement (grand challenge de calcul haute performance).
De ce fait, on souhaite estimer l’impact que pourrait avoir des méthodes approchées du type “Kirchhoff-Kron*” sur la
résolution de ces problématiques. Cette méthode basée sur une approche statistique et probabiliste de ces questions
pourrait permettre de prendre en compte la grande variabilité des structures ainsi que leur inhérente imprécision. Ce besoin
de calculs approchés, devant rester pertinents, est une nécessité dans ce type d’approche statistique par nature, puisque
l’onde incidente a déjà elle-même une grande variabilité en termes de direction, polarisation, intensité, durée et forme du
signal.
La première partie sera consacrée à l’étude bibliographique des différents travaux conduits dans divers domaines à partir de
la méthode de Kirchhoff-Kron. Il s’agira :
-
d’analyser les atouts et inconvénients de la méthode,
-
de mesurer l’impact de son utilisation sur l’efficacité de la modélisation (temps de calcul/ précision) et d’en cerner les
limites.
Dans la deuxième partie des travaux, les outils de simulation seront mis en œuvre. Il s’agira non seulement de produire les
outils numériques et expérimentaux nécessaires à l’étude, mais également de l’appliquer à des cas concrets. Pour cela, on
analysera ce que pourrait apporter, pour la caractérisation des effets des ondes électromagnétiques impulsionnelles
(analyse dans le domaine temporel), l’utilisation de cette méthode approchée. Il s’agira de développer théoriquement
(complété expérimentalement) et de concrétiser sous forme de codes de calculs opérationnels les principes de base de la
méthode de Kirchhoff-Kron : utilisation d’une “discrétisation” à base de “circuits LRC élémentaires” couplés entre eux et au
champ électromagnétique et représentant des éléments de ligne électrique ou des éléments de cavités résonnantes par des
circuits électriques, ces circuits élémentaires pouvant interagir entre eux via des ondes électromagnétiques.
Du point de vue mathématique ce type de formulation physique conduit à devoir résoudre (dans le cas d’une réponse
linéaire des divers éléments du système) un très grand système linéaire, en mettant à profit sa structure (topologique) et
donc en profitant pour cela des plus récents développements en homologie algébrique.
La dernière partie sera consacrée au développement et à la mise en œuvre d’un processus de démonstration de la validité
de la méthode sur un système réel pour une agression représentative produite à partir des moyens théoriques et
expérimentaux du CEA/Gramat. Pour cela, des calculs plus sophistiqués nécessitant la mise en œuvre des codes de calculs
du CEA et de ses moyens expérimentaux serviront d’éléments de comparaison.
* l’utilisation de la méthode de Kron a fait l’objet d’un projet REI DGA de 2010 à 2014 ainsi que de différents travaux de
thèse.
Directeur de thèse et école doctorale : Université de Limoges –XLIM/DMI – Olivier Ruatta
Contact : [email protected] – CEA/GRAMAT – 05 65 10 54 32
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Electromagnétisme
Sujet :
Etude et conception d’une source micro-ondes de forte puissance compacte, accordable en fréquence et
présentant un rendement élevé
Contexte :
Les sources capables de générer des impulsions micro-ondes de fortes puissances (plusieurs centaines de MW en mode
récurrent) font l’objet de nombreuses études pour les besoins de la physique (accélérateurs) et de la Défense (futures armes
à énergie dirigée). Différentes familles de technologies sont exploitées selon la fréquence d’utilisation, le niveau de
puissance, la durée des impulsions, les modes de propagation dans les guides d’extractions, les caractéristiques d’excitation
(tensions et impédances d’entrée) et les niveaux de compacité visés.
Cette thèse a pour objectif l’étude et la conception d’une source Micro-ondes de Forte Puissance répondant à un certain
nombre d’objectifs ; ils concernent le rendement (≥ 50% visé), la rapidité de démarrage (quelques ns), la puissance de sortie
(plusieurs centaines de MW), la durée d’impulsion (plusieurs dizaines de ns), avec une contrainte forte de compacité
impliquant l’utilisation d’un faible champ magnétique de focalisation et d’une géométrie optimale.
Un point dur concerne la possibilité d’accord sur une certaine largeur de bande fréquentielle et sa rapidité (on parle alors
d’agilité). Les solutions peuvent être mécaniques (par modification des géométries) ou électriques (par modification de la
densité de plasma - cas du maser de Cerenkov -, du champ magnétique de guidage ou de la tension accélératrice). Par
ailleurs la possibilité de faire fonctionner les oscillateurs en régime chaotiques ou en mode amplificateur devra être explorée.
Les fréquences d’intérêt vont de quelques GHz à plusieurs dizaines de GHz mais seule une bande particulière de fréquence
sera retenue dans le cadre de la thèse.
Le doctorant conduira une étude bibliographique et une analyse critique des publications étrangères récentes ; il
sélectionnera le type de source jugé optimal vis-à-vis des objectifs à atteindre ; il justifiera son choix parmi les sources
candidates (Magnétron, Transit Time Oscillator, Backward Wave Oscillator...). Enfin il conduira l’étude numérique et la
conception d’un prototype présentant le meilleur compromis entre les performances visées.
Ces travaux se fonderont à la fois sur une approche théorique et sur une approche numérique à l’aide de codes Maxwell PIC
(Particles In Cells) 2 et 3D en profitant des moyens de calculs importants du CEA/Gramat. Au terme de cette première
phase, un prototype compatible avec les moyens d’essais associés (générateur répétitif, antenne) pourra être fabriqué et
expérimenté au CEA/Gramat.
Directeur de thèse et école doctorale : Ouvert
Contact : rené[email protected] - CEA/Gramat - 05 65 10 54 32
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Electromagnétisme
Sujet :
Modélisation des interactions électromagnétiques avec le vivant à l’échelle cellulaire. Recherche d’effets
athermiques
Contexte :
L’interaction des ondes électromagnétiques avec le vivant fait l’objet de nombreux travaux d’études à des fins médicales,
industrielles et de santé publique.
Les applications médicales sont nombreuses, comme par exemple l’électrostimulation du système nerveux ou bien
l’électroporation de cellules cibles ; cette dernière méthode permet d’améliorer l’efficacité de certains traitements
anticancéreux (électro-chimiothérapie, électro-génothérapie...). L’électroporation des cellules est également exploitée
industriellement (alimentaire, décontamination, stérilisation, énergie...). Par ailleurs, les impacts sur la santé publique des
ondes électromagnétiques ambiantes (téléphonie et diverses sources d’émissions) sont appréhendés en termes d’effets
thermiques (échauffement des tissus).
Cependant les phénomènes physico-chimiques mis en jeux peuvent être complexes et sont dépendants des formes
d’impulsions (amplitude, durée, temps de montée) et de leurs spectres fréquentiels associés.
Les modélisations peuvent être conduites à différentes échelles ; elles vont de l’échelle métrique si l’on s’intéresse au
couplage onde-tissus (dosimétrie), à l’échelle macroscopique si l’on s’intéresse à la pénétration du champ dans une ou
plusieurs cellules et jusqu’à l’échelle microscopique ou moléculaire si l’on s’intéresse aux aspects physico-chimiques au
niveau des membranes ou à l’intérieur des cellules.
L’étude concerne la modélisation de l’interaction onde-vivant, au niveau de la cellule, pour des formes d’ondes
impulsionnelles qui, de par leurs faibles durées, ne sont pas susceptibles de provoquer des effets thermiques. Il s’agit
d’impulsions de fortes amplitudes (plusieurs centaines de kV/m) et de durées brèves (une à plusieurs centaines de
nanosecondes) avec un contenu spectral pouvant s’étaler d’une centaine de MHz à plusieurs GHz.
Compte tenu de la brièveté et du caractère hautes fréquences de ces impulsions, il sera recherché des effets intra-cellulaires
et membranaires autres que ceux habituellement observés en électroporation classique.
L’objectif ultime est la mise en évidence, s’ils existent, de certains effets, leur compréhension et la détermination des seuils
d’apparition. Les effets recherchés en priorité concernent par exemple l’expression des protéines de stress cellulaire, les
modifications structurales de la membrane, la génération de pics calciques dans le cytosol, la perméabilisation de la
membrane.
La thèse se déroulera pour partie au CEA/Gramat et pour partie dans un centre de recherche en biologie tel qu’une unité
CNRS à l’Institut Gustave Roussy à Villejuif.
Le CEA/Gramat dispose des moyens expérimentaux d’illuminations et d’injection permettant l’exposition des échantillons
biologiques ainsi que d’un laboratoire permettant la préparation et certaines analyses des échantillons biologiques sous tests
dont les résultats permettront la confrontation avec les modèles proposés. A cet effet, le CEA/Gramat dispose d’importants
moyens de calculs permettant des simulations lourdes de couplage onde-tissus et macroscopiques (Maxwell 3D) ainsi que
de phénoménologie biochimique (Dynamique Moléculaire) ; ces dernières simulations (DM) pourront être conduites en
collaboration avec un laboratoire du CNRS ou du CEA spécialisé dans ce domaine.
Par ailleurs, certaines expérimentations (en injection) pourront être conduites dans un des laboratoires du centre de
recherche retenu. Elles mettront en œuvre des applicateurs développés et caractérisés au CEA/Gramat. Elles permettront
des analyses plus poussées ; ce laboratoire assurera par ailleurs la direction de la thèse pour ce qui concerne les aspects
biologiques.
Directeur de thèse et école doctorale : Ouvert
Contact : [email protected] – CEA/Gramat – 05 65 10 54 32
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Electromagnétisme
Sujet :
Réalisation d’antennes hautes performances par impression 3D
Contexte :
Dans le cadre de la conception d’armes à énergie dirigée électromagnétiques (AED EM), l’antenne constitue une des
briques clés car celle-ci doit transformer la puissance fournie par le générateur en champ électromagnétique et ainsi la
transmettre vers le milieu de propagation. Le développement de ces systèmes est fortement lié aux technologies
disponibles, aux applications envisagées et aux scénarios de mise en œuvre. Chacun de ces critères a un impact et peut
imposer des contraintes sur les caractéristiques des antennes. Des travaux de recherche récents ont permis de concevoir
des antennes dont les performances assurent un compromis difficile entre différents critères, à savoir la compacité, la tenue
en puissance, la largeur de bande et le gain.
L’intérêt opérationnel et industriel de ces antennes est certain. Néanmoins, leur réalisation peut être difficile, ou longue et
coûteuse. A ce titre, le CEA/Gramat propose, à travers cette thèse, d’étudier l’opportunité de leur réalisation par impression
3D.
Un premier niveau de difficulté consiste à assurer l’adaptation de l’antenne à la source afin d’obtenir un rendement
satisfaisant. En effet, bien que non systématique, la recherche de niveaux de champs rayonnés élevés est souvent un enjeu
majeur et très dimensionnant pour la source elle-même (coûts, source d’énergie primaire, dimensions et poids).
L’optimisation indispensable du système dépend donc de la bonne adaptation entre source et antenne, cette adaptation
étant très particulière à la technologie de la source. Un deuxième niveau d’optimisation est associé au risque de dissipation
d’énergie, dans l’antenne ou à sa sortie, sous la forme d’arcs électriques. Cela impose alors des contraintes fortes, soit sur
les formes d’antennes possibles (en évitant les arrêtes en regard), soit en imposant le vide ou la présence d’un gaz tel que
du SF6 afin de supprimer les opportunités d’ionisation dans le milieu de propagation, là où les champs électromagnétiques
sont les plus élevés. C’est parfois la mise en œuvre de plusieurs de ces solutions qui permettra de réduire le risque
d’apparition d’arcs électriques. Par ailleurs, plusieurs formes d’ondes sont envisageables en fonction de la technologie de
source utilisée. Elles sont classées suivant leur largeur spectrale, soit bande étroite BE (quelques % de bande), bande large
BL (50% de bande) et ultra large bande BUL (>100% de bande). Pour chacune de ces formes d’onde sont donc associées
des contraintes particulières sur l’antenne, en termes de bande passante et en termes de tenue en puissance (BE) ou en
tension (BL et BUL).
Il s’agira pour le doctorant d’étudier les avantages et inconvénients d’une réalisation d’antenne par impression 3D, en
fonction du type d’antenne (et donc de la bande associée) et des performances visées. Les verrous technologiques devront
être identifiés, les différents types d’impression seront analysés, et cette thèse devra aboutir à la solution d’impression la
plus adaptée en regard de la famille d’antennes visée.
Après avoir identifié des familles et des technologies d’antennes d’intérêt, représentatives et complémentaires, le doctorant
sera responsable de leurs conceptions par simulation numérique, puis de l’analyse et du choix de l’impression 3D la plus
adaptée aux antennes respectives.
Les antennes seront ensuite réalisées et leurs performances seront mesurées avec les moyens expérimentaux du
CEA/Gramat.
Directeur de thèse et école doctorale : ouvert
Contact : [email protected] – CEA/Gramat – 05 65 10 54 32
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Electromagnétisme
Sujet :
Elaboration d’un matériau magnétique multi-bande par dépôt d’oxyde en voie liquide
Contexte :
Pour optimiser les propriétés magnétiques dynamiques des matériaux doux, il faut en réalité optimiser la structure en
domaines magnétiques afin de maîtriser les pertes liées notamment à la présence de parois magnétiques. Dans ce but, on
cherche généralement à optimiser de la microstructure (dispersion et orientations de grains) par les procédés de mise en
forme. On propose ici une approche alternative consistant à construire une microstructure artificielle avec des motifs afin de
contrôler de la structure en domaine. Ce matériau sera réalisé avec des oxydes magnétiques qui présentent une polarisation
diélectrique faible et peuvent être facilement mis en œuvre par voie liquide par des procédés variés (électrodéposition,
impression jet d’encre…).
L’objectif de la thèse est de parvenir à élaborer des réseaux de micro-motifs d’oxydes magnétiques par voie liquide, afin de
créer une structure en domaine magnétique optimisée pour les propriétés magnétiques dynamiques présentant un
comportement multi-bande et non large bande.
Le déroulement de la thèse se fera principalement au CEA/Le Ripault, dans le laboratoire des Revêtements Fonctionnels et
Caractérisations, qui dispose de moyens variés pour l’élaboration de solutions d’oxydes, pour le dépôt de ces oxydes et
notamment de motifs grâce à une imprimante jet d’encre dédiée. Les caractérisations magnétiques et électromagnétiques
sont également un point fort de l’équipe. La modélisation des propriétés magnétiques dynamiques en fonction de la
géométrie du réseau se fera par des modèles analytiques développés dans la littérature. Des caractérisations
complémentaires (observation de la structure en domaine…) pourront être faites en collaboration avec le Laboratoire de
Physique des Solides à Orsay.
Directeur de thèse et école doctorale : André Thiaville, Laboratoire de Physique des Solides d’Orsay
Contact : Anne-Lise Adenot-Engelvin [email protected]
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Electromagnétisme
Sujet :
Conception et réalisation de tapis d’invisibilité multi-bande
Contexte :
L’intégration de plusieurs fonctions dans un même revêtement se pose de façon récurrente pour tout le spectre
électromagnétique. On s’intéressera dans cette thèse en particulier à des revêtements de surfaces qui visent à contrôler
l’absorption ou l’émission dans plusieurs bandes de fréquence. Cette problématique sera étudiée dans les domaines microonde et infrarouge. On peut citer par exemple le cas d’un tapis d’invisibilité qui masquerait une antenne à une longueur
d’onde donnée et la laisserait visible à une autre. Dans un autre domaine, comme le photovoltaïque, le contrôle de
l’émissivité et de l’absorption selon les longueurs d’onde revêt une importance capitale.
Partant de la spécification d’une réponse spectrale, les techniques de l’optique de transformation seront utilisées pour
concevoir des solutions innovantes à gradient de propriétés. La recherche d’un revêtement structuré ayant alors les bonnes
propriétés fréquentielles pourra être envisagée par les méthodes de conception type circuits équivalents. D’autre part
l’utilisation de matériaux magnéto-diélectriques, dont les possibilités de variation d’indice en fréquence sont riches, peuvent
être mis à profit pour réaliser les propriétés souhaitées. La validation du revêtement vis-à-vis de l’objectif sera dans un
premier temps effectuée par une modélisation numérique de la structure complète. Une démonstration expérimentale pourra
ensuite être mise en œuvre notamment par des techniques d’impression jet-d’encre, technologies émergentes pour ce type
d’applications. La caractérisation des revêtements réalisés sera effectuée et interprétée à partir les nombreux moyens
existants dans le laboratoire. Ces mesures seront confrontées à la réponse attendue pour évaluer l’atteinte des
performances ainsi que la bonne compréhension de la phénoménologie. L’évolution en incidence des propriétés obtenues
sera notamment un des critères d’évaluation des performances.
La thèse se déroulera au sein du laboratoire des Revêtements Fonctionnels et Caractérisation du CEA/Le Ripault qui
dispose de nombreux moyens d'élaboration de matériaux magnétiques et diélectriques et de caractérisation de ceux-ci. Il
collabore également très régulièrement avec l’Institut Fresnel (CNRS).
Directeur de thèse et école doctorale : Stefan Enoch, Institut Fresnel, Université d’Aix-Marseille.
Contact : Nicolas Malléjac ([email protected])
Compétences souhaitées : Formation en physique des matériaux et en électromagnétisme. Goût pour la modélisation, le
calcul, la confrontation calcul/mesure. Motivation pour les applications innovantes.
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Electromagnétisme
Sujet :
Utilisation de la théorie des courants caractéristiques dans l’analyse de la Surface Equivalente Radar
(SER) Basse Fréquence
Contexte :
L’analyse de SER en Basse Fréquence (BF) ou la conception d’antennes compactes BF sur des objets 3D sont des sujets
difficiles : les outils de conception classiques ne sont pas adaptés et la mesure de SER est d’autant plus délicate que la
longueur d’onde est grande (directivité du moyen d’illumination, limites des absorbants). Pourtant, les besoins dans ce
domaine sont en plein essor.
Pour proposer des outils d’analyse et de conception d’un nouveau genre, nous avons eu l’idée de reprendre les travaux des
années 70 relatifs aux « courants caractéristiques ». En effet, ces courants forment une base (hilbertienne) des courants
hyperfréquences pouvant se développer sur l’objet, base optimale dans le sens suivant : les courants sont deux à deux
orthogonaux au sens du champ rayonné à l’infini. Dans une publication récente, nous avons démontré la diagonalisation de
la « matrice de Scattering », opérateur linéaire qui relie champs entrants et champs sortants dans les problèmes de
diffraction. Nous avons ensuite calculé les modes propres de la SER pour des objets simples et chercher à les mettre en
œuvre comme support à l’analyse de SER.
Illustration : champs électromagnétiques rayonnés par les courants caractéristiques d’une forme F-117
Etendre les premiers résultats obtenus au cas d’objets 3-D quelconques, revêtus ou non de matériaux absorbants. Bâtir un
outil d’analyse robuste d’aide à la conception. Dériver de cet outil une « transformation champ proche – champ lointain »
adaptée au cas des grandes longueurs d’onde. Etudier la pertinence de cette approche « diffraction » au cas du
rayonnement des antennes.
Les principales étapes du travail à mener sont les suivantes :
-
Assimilation des travaux existants (articles, présentations, logiciels),
-
Constitution d’un outil d’exploitation (Logiciel Matlab nominal, option Scilab à étudier),
-
Mise en œuvre dans des cas pratiques (littérature ouverte et objets CEA), dont transformation champ proche – champ
lointain,
-
Faisabilité d’une extension au rayonnement des antennes.
Contact : S. Morvan, [email protected], tel : 05 57 04 40 00
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Electromagnétisme
Sujet :
Exploitation de mesures de SER bistatique d’une cible revêtue pour extraire les caractéristiques
radioélectriques du matériau de revêtement
Contexte :
Les mesures de SER (Surface Equivalente Radar) ont pour objectif de valider des nouveaux concepts de furtivité radar, ou
de valider des nouveaux développements de code de calcul de SER. Les mesures sont effectuées dans une chambre
anéchoïque, la cible est habituellement placée sur un mât discret vis-à-vis des ondes radar, mobile en rotation, et est
éclairée par une antenne de mesure, connectée à un système radar, qui peut également recevoir le signal rétrodiffusé par la
cible. On acquiert ainsi la SER dite monostatique en fonction de l’angle d’observation de la cible par le radar.
Les cibles sont rendues furtives soit en travaillant sur leur géométrie, soit sur le matériau les revêtant. Dans ce cas, les
caractéristiques radioélectriques du matériau de revêtement sont déterminées à l’aide de mesures hyperfréquences en ligne
de transmission, effectuées sur des échantillons du matériau. Dans certains cas, le matériau après dépôt sur objet peut
présenter des zones dans lesquelles ses caractéristiques ne sont pas celles d’un échantillon isolé. On envisage alors
d’exploiter les mesures de SER pour remonter aux caractéristiques radioélectriques du matériau revêtant la cible.
Des premières études effectuées au CEA/CESTA ont montré qu’il était possible d’extraire ces données grâce à des mesures
monostatiques. Dans cet objectif, un problème inverse est résolu. La géométrie de la cible est supposée parfaitement
connue, 2D axisymétrique. On identifie plusieurs zones où le matériau peut avoir des caractéristiques différentes de celles
données par la mesure sur échantillon, mais néanmoins proches. L’incertitude de mesure est également supposée connue.
Cependant, le besoin en information (constante diélectrique, tangente de pertes, et perméabilité magnétique en fonction de
la fréquence pour chaque zone à identifier) est tel que les mesures de SER monostatiques sont insuffisantes. Pour ces
raisons, on envisage également d’exploiter des mesures bistatiques, qui sont réalisées en utilisant une antenne de réception
différente de l’antenne d’émission.
L’objectif de la thèse est de proposer un banc de mesure de SER bistatique et les traitements associés, permettant d’extraire
les caractéristiques du revêtement de la cible sous test.
La première partie du travail consistera à effectuer des études de faisabilité, grâce à des simulations numériques. Une ou
plusieurs cibles pertinentes pour la démonstration seront identifiées grâce à ces études, puis fabriquées. En parallèle de
cette étape, le moyen de mesure actuel devra être adapté pour réaliser des mesures bistatiques. En particulier, l‘étape de
calibration devra être mise au point. Les incertitudes de mesure seront évaluées. Enfin, la validation expérimentale sera
réalisée sur les cibles conçues à la première étape.
Le doctorant effectuera ses travaux dans un laboratoire de mesure. Il travaillera en lien avec des expérimentateurs, des
concepteurs et des numériciens.
Directeur de thèse et école doctorale : à définir à l’Université de Rennes I
Contact : G. Mazé-Merceur, tel : 05 57 04 40 00
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Electromagnétisme
Sujet :
Rétroaction d’une cible de conversion sur un faisceau d’électrons relativistes dans le cadre d’une
machine de radiographie éclair bipulse
Contexte :
Dans le cadre du programme Simulation du CEA/DAM, des accélérateurs d’électrons relativistes (20 MeV) pulsés (< 100ns)
sont utilisés comme source de radiographie éclair. Le rayonnement X est produit par l’interaction du faisceau d’électrons
avec une cible de conversion. L’installation « Expériences de Physique Utilisant la Radiographie Eclair » (EPURE) comprend
trois sources radiographiques dont deux accélérateurs linéaires à induction (1er et 3ème axe). La machine positionnée sur le
1er axe est opérationnelle (ex-AIRIX) et la machine du 3ème axe est en cours de définition pour être déployée en 2022. Pour
cette dernière, il est envisagé un fonctionnement « double-impulsion » basé sur deux faisceaux d’électrons espacés d’un
délai réglable jusqu’à environ 1 µs. A ce titre, nous menons actuellement des études dans le but d’optimiser les
performances de la source X (en particulier taille d’émission et dose), y compris dans l’hypothèse d’un fonctionnement
« double-impulsion ».
Le sujet proposé est d’étudier numériquement et expérimentalement les phénomènes prépondérants sur le transport du
faisceau et les performances de la source radiographique. L’étude portera sur une gamme de temps allant de quelques ns à
quelques µs.
A l’échelle ns, des ions légers sont libérés par la cible de conversion, piégés dans le faisceau électronique et accélérés à
contre sens de celui-ci. Ils perturbent ainsi la dynamique du faisceau électronique au cours de l’impulsion et modifient sa
dimension spatiale, cruciale pour la résolution de la radiographie.
A l’échelle µs, la matière ayant reçue le dépôt d’énergie du 1er faisceau passe à l’état plasma et connait une expansion
hydrodynamique rapide. Le 2nd faisceau va ainsi interagir avec un plasma froid qui peut modifier son transport. Aussi,
l’évolution de densité de la cible perturbe la qualité de la conversion en réduisant, par exemple, la dose de photons X.
Le candidat participera à la conception, la réalisation et l’interprétation d’expériences dédiées à la compréhension et la
maîtrise des processus décrits ci-dessus. Il pourra s’aider de moyens numériques : code hydrodynamique et « Particle In
Cell » (PIC). Les expériences utiliseront les générateurs du CEA/CESTA, et éventuellement EPURE. Les diagnostics mis en
œuvre pourront couvrir les domaines de l’électrotechnique, de l’optique, et du rayonnement X (spectroscopie, imagerie). Un
bon niveau en physique expérimentale est demandé, des connaissances en électromagnétisme, physique relativiste et des
plasmas sont souhaitables.
Directeur de thèse et école doctorale : Fabien Dorchies, E.D. Sciences Physiques et de l’ingénieur (Université de
Bordeaux)
Contact : [email protected], tel : 05 57 04 40 00
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Electronique
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Electronique
Sujet :
Etude de la génération d’impulsions électromagnétiques produites par claquages de matériaux
diélectriques induits par flux d’électrons
Contexte :
Au cours de sa mission, un satellite est soumis à un flux de particules chargées (électrons protons) piégées dans le champ
magnétique terrestre. Ces particules énergétiques (de l’ordre du MeV) interagissent avec les systèmes électroniques et
peuvent dégrader voire détruire les fonctions électroniques. Il est donc nécessaire de bien connaître les mécanismes
physiques conduisant à la dégradation de l’électronique sous irradiation, afin de dimensionner des protections permettant
d’assurer le fonctionnement de l’électronique d’un satellite durant toute sa mission.
Lorsqu’un système électronique est irradié par un flux d’électrons énergétiques, plusieurs phénomènes se produisent :
-
Les électrons créent des paires électrons-trous dans le silicium et l’oxyde de silicium constitutifs des composants
électroniques, modifiant ainsi leurs paramètres fonctionnels (gain, tension de seuil…). Ce phénomène est appelé effet
TREE (Transient Radiation Effects on Electronics). Lorsque la fluence est élevée, la fonction électronique devient
inopérante.
-
Les électrons incidents sur les systèmes électroniques irradiés ont aussi pour effet de porter les matériaux à des
potentiels pouvant être élevés en valeur absolue. Dans les diélectriques, lorsque le potentiel atteint une certaine valeur
critique, un phénomène de claquage se produit, ayant pour effet l’émission d’électrons (et d’ions) de la surface du
matériau irradié, générant une impulsion électromagnétique (IEM). Cette IEM peut se coupler sur différents systèmes
d’interconnexion (câbles, circuits imprimés, antennes…), générant ainsi des courants parasites pouvant se propager
jusqu’à l’entrée des composants électroniques, induisant la perturbation (voire la destruction) de la fonction
électronique agressée. Ce phénomène est appelé ECEMP (Electron Caused ElectroMagnetic Pulse).
C'est le deuxième phénomène qui sera étudié plus en détail dans le cadre de cette thèse. L’objectif de cette thèse est de
quantifier l’IEM générée lors des phénomènes de claquage de matériaux diélectriques induits par faisceaux d’électrons
énergétiques (dans le domaine du MeV). Plus précisément, il s’agit de déterminer les niveaux et les répartitions spatiales
des champs électriques et magnétiques générés par le plasma induit par le phénomène de claquage diélectrique.
-
Dans un premier temps, le candidat retenu devra faire le bilan des différents diagnostics permettant la mesure des
champs EM générés par le processus de claquage : capteurs de champs, sondes de tension… ainsi que les
diagnostics permettant l’analyse du plasma généré : spectrométrie, coupe de Faraday…
-
Dans une deuxième étape, le candidat retenu devra dimensionner les expériences d’interaction électrons – matériaux
diélectriques. Ces expériences seront effectuées sur l’accélérateur d’électrons 6 MeV en service au CEA/Gramat. Les
diagnostics développés à l’issue de la première étape seront testés et qualifiés lors de cette phase expérimentale.
-
Dans un troisième temps, les champs EM mesurés seront comparés aux résultats des simulations numériques
effectuées avec les codes de calcul disponibles au CEA/Gramat. Plus précisément, la dynamique des particules
chargées éjectées de la surface par le phénomène de claquage sera calculée à l’aide d’un code Maxwell-Vlasov
utilisant une méthode d’interpolation PIC (Particle In Cell).
Directeur de thèse et école doctorale : Mohammed Yousfi, LAPLACE (Université Paul Sabatier)
Contact : maxime.ribiè[email protected] - CEA/Gramat – 05 65 10 54 32
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Electronique
Sujet :
Modélisation de la susceptibilité électromagnétique des étages d’alimentation d’équipements
électroniques en mode conduit
Contexte :
Le CEA/Gramat est le centre d’expertise du CEA/DAM (Direction des applications militaires) dans le domaine de
l’électromagnétisme. Il réalise à ce titre des études de vulnérabilité de matériels soumis à des agressions
électromagnétiques diverses.
L’objectif de la thèse est d’élaborer une modélisation pour la susceptibilité électromagnétique des étages d’alimentation
d’équipements électroniques lorsqu’ils sont soumis à des agressions électromagnétiques de type conduites (c'est-à-dire
résultant du couplage d’une onde électromagnétique avec le câblage connecté à l’équipement).
Les principales étapes de la thèse seront notamment :
-
de réaliser une étude et une analyse critique des publications françaises et étrangères sur le sujet,
-
de compléter cette approche bibliographique en abordant les différentes topologies d’alimentation électronique, les
principales technologies utilisées pour les composants et les solutions employées pour répondre aux contraintes de
compatibilité électromagnétique aussi bien en immunité qu’en émission (solutions de protection, filtrage…),
-
d’étudier, parmi les principales caractéristiques de l’agression conduite, quelles sont celles qui sont dimensionnantes
en termes de susceptibilité conduite (niveau crête temporel, temps de montée, énergie…),
-
de comprendre les mécanismes de destruction potentielle des composants des alimentations et d’identifier quels sont
les éléments constitutifs des équipements qui influent (ou non) sur les défaillances,
-
d’élaborer les modèles de susceptibilité et les éventuels outils associés à des fins de prédiction du comportement des
étages d’alimentation d’équipements électroniques d’intérêt.
Ces travaux s’appuieront sur la simulation numérique et des campagnes d’expérimentation supportées par l’ensemble des
outils et moyens disponibles au CEA/Gramat :
-
dans le domaine de la simulation numérique : codes numériques temporels ou fréquentiels du domaine de
l’électromagnétisme, outils de simulation de circuits électroniques mixtes de type SPICE,
-
dans le domaine des expérimentations : moyens d’injection fort niveau.
Directeur de thèse et école doctorale : ENSEEIHT Toulouse ou IEMN Lille ou Université de Clermont-Ferrand ou IETR
Rennes ou Université de Limoges
Contact : frédé[email protected] - CEA/Gramat – 05 65 10 54 32
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Electronique
Sujet :
Etude des claquages de volume résultant de l’accumulation de charges dans les isolants - Cas de
l’irradiation par un faisceau d’électrons
Contexte : Dans les dispositifs électroniques sous forte tension fonctionnant sous vide et faisant intervenir de forts courants,
des claquages de volume peuvent se produire résultant de l’impact d’une fraction des électrons de ces faisceaux avec les
isolants et de leur accumulation.
Objectif de la thèse : Le but de la thèse est de mieux comprendre les mécanismes élémentaires intervenant dans ces
processus, tant du point de vue modélisation que du point de vue simulation numérique, en étudiant les micro-claquages
produits sous MEB dans l’échantillon, en utilisant le canon à électrons de ce dernier pour venir injecter de façon contrôlée
des charges dans un isolant (alumine, MgO, etc.) avec différentes énergies (de l’ordre du kev) et différentes focalisations.
On étudiera l’influence de différents paramètres élémentaires et on cherchera à établir des lois d’échelles. La modélisation et
la simulation de ces phénomènes seront entreprises. On cherchera notamment à comprendre le mécanisme élémentaire à
la base de la déstabilisation des charges (électrons) localement piégées et au claquage en résultant.
Déroulement de la thèse : Les claquages constituent une des limitations technologiques majeures des isolants. Dans le
cas des isolants solides ils conduisent de plus à dégrader de façon irréversible ce dernier (chenal conducteur alors formé) ; il
est donc important de poursuivre les études visant à une meilleure compréhension des évènements (conditions) qui peuvent
conduire à leur déclanchement.
Pour cela, l’utilisation du faisceau d’électrons d’un MEB se révèle être un outil particulièrement bien adapté, puisqu’il permet
un très bon contrôle de la quantité de charges qui peut être injectée dans l’échantillon via l’énergie des électrons primaires
incidents et leur focalisation. Le phénomène d’émission électronique secondaire, conséquence des paires électrons-trous
générées lors du ralentissement des électrons primaires, vient cependant rendre plus complexe les phénomènes et leur
interprétation. Si l’injection est poursuivie suffisamment longtemps (en faisceau focalisé), un (voire des) micro-claquage(s)
successif(s) viennent perturber ces phénomènes d’injection et les modifier. On se propose d’analyser ces phénomènes en
regardant comment la plus ou moins grande focalisation ainsi que l’énergie des électrons primaires viennent modifier la
quantité de charge à partir de laquelle le micro-claquage (correspondant à un dépiégeage collectif d’une partie des électrons
piégés) se produit.
La première partie de la thèse sera consacrée à une étude bibliographique portant sur l’analyse de ces phénomènes
d’injection, d’émission électronique secondaire et de piégeage de charges, ainsi que des micro-claquages observés (de
nombreux articles et travaux de thèse sur ces sujets existent).
Une deuxième partie sera consacrée à l’appropriation de codes de calcul et de simulation existant pouvant rendre compte de
ces phénomènes (du moins de la partie accumulation de charges précédant le claquage).
Une troisième phase sera consacrée à la réalisation d’expériences d’injection de charges et de micro-claquages sous MEB
et cela pour différentes conditions expérimentales ainsi que différents matériaux (céramiques, verres, polymères).
Une quatrième phase sera consacrée à la modélisation des phénomènes conduisant au micro-claquage lui-même,
notamment à la recherche du mécanisme physique conduisant à la déstabilisation des charges piégées dans l’isolant (les
effets de champ électrique devant vraisemblablement alors y jouer un rôle déterminant).
La quatrième phase sera consacrée la rédaction du mémoire de thèse, d’articles, ainsi qu’à l’application du modèle de
claquage proposé à des conditions expérimentales et technologiques variées.
Des stages (masters) pourront également être proposés en parallèle de la thèse pour venir l’épauler. Les caractérisations
sous MEB ainsi que les codes de simulations phénoménologiques pourront bénéficier de travaux réalisés par ailleurs
(thèses et stages).
Directeur de thèse et école doctorale : LAPLACE (Université Paul Sabatier)
Contact : [email protected] - CEA/Gramat – 05 65 10 54 32
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Electronique
Sujet :
Développements de modèles de comportement de composants électroniques « hors régime fonctionnel »
Contexte :
Les composants électroniques entrent pour une grande part dans le fonctionnement de tous les systèmes modernes. Ces
composants sont soumis à des environnements électromagnétiques très sévères que les ondes proviennent d’émissions
d’équipements électroniques proches ou d’illuminations intentionnelles. Si la simulation du comportement de ces
composants dans leur régime nominal, ou légèrement écarté de celui-ci, est bien prise en compte par les modèles existants,
leur dysfonctionnement, occasionné par des ondes plus puissantes, est, quant à lui, très mal modélisé.
L’objet de la thèse est de penser le modèle de composant en termes de dysfonctionnement ou de susceptibilité
électromagnétique et non en terme fonctionnel. Le doctorant s’interrogera sur la pertinence de modèles dits « compacts »,
comportementaux, physiques, « boîte noire » ou d’autres encore, à décrire le comportement des composants hors de leur
régime fonctionnel. Le doctorant s’appuiera sur des premiers travaux expérimentaux et théoriques menés au sein du
laboratoire microondes de fortes puissance du CEA/Gramat et relatifs à la compréhension physique de certains types de
susceptibilité appliqués à des composants simples. Un des enjeux de la modélisation est de conserver la compréhension du
phénomène physique dans l’élaboration du modèle.
Le doctorant s’imprègnera des travaux cités précédemment avant de conduire une étude bibliographique et une analyse
critique des publications françaises et étrangères relatives à la modélisation de la susceptibilité électromagnétique des
composants. Il mènera également une étude similaire sur la modélisation fonctionnelle des composants pour comparer des
approches réalisées sous des angles de vues différents et notamment :
-
analyse de l’applicabilité des outils de modélisation de la susceptibilité fonctionnelle (VHDL, VHDL-AMS)1,
-
fusion des modèles de description générique de composants (IBIS, ICIM)2 tout en gardant la possibilité d’intégrer des
états de susceptibilité spécifiques aux signaux parasites.
Les modèles de composants étant utilisés dans le cadre plus vaste de la vulnérabilité ou de la compatibilité
électromagnétique, ils se doivent d’interagir avec des codes de simulation de type Maxwell ou théorie des lignes (étude de
l’interfaçage de la microphysique et du couplage électromagnétique au niveau des codes de simulation). Le doctorant
proposera un formalisme permettant l’intégration de ces modèles dans la plateforme de simulation électromagnétique du
CEA/Gramat.
Directeur de thèse et école doctorale :
ENSEEIHT Toulouse ou IEMN Lille ou Université de Clermont-Ferrand ou IETR Rennes ou Université de Limoges ou filière
mathématiques appliqués.
VHDL : VHSIC Hardware Description Langage– VHSIC : Very High Speed Integrated Circuits – AMS: Analog and MixedSignal
2 IBIS : Input Output Buffer Information System – ICIM : Integrated Circuit Immunity Model
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Electronique
Sujet :
Modélisation des effets de déplacements atomiques induits par irradiation dans les matériaux pour la
microélectronique
Contexte :
En environnement radiatif, les effets de déplacements atomiques peuvent entrainer la dégradation des performances des
composants électroniques. Dans les semi-conducteurs constituant ces composants, les déplacements atomiques peuvent
modifier le nombre de porteurs libres que celui-ci doit transporter. Pour les diélectriques utilisés comme couche d'isolation,
ils peuvent conduire à une diminution de leur fiabilité voire provoquer leur claquage.
Malgré le fait que ces phénomènes aient été étudiés expérimentalement et par simulation de manière intensive ces
dernières années, une compréhension claire des phénomènes physiques à l’origine de la dégradation des composants n'a
jamais été mise en avant. La simulation à l'échelle atomique peut apporter des éléments de réponse à ce type de question.
En effet, elle permet 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 donne accès au changement dans la structure
électronique induit par les déplacements pouvant engendrer des cascades de défauts. En effet, ces défauts vont changer
fondamentalement les propriétés du matériau en introduisant des niveaux plus ou moins profonds dans sa bande interdite.
Ces niveaux, selon leur répartition et leur nature, peuvent changer le déplacement des porteurs dans les semi-conducteurs
ou créer des canaux de courant de fuite dans les oxydes. Une simulation la plus exacte possible de la cascade de
déplacement ainsi qu’une évaluation précise des changements dans la structure électronique des matériaux sont donc
capitales pour comprendre les phénomènes de déplacements atomiques et rendre les composants résistants aux radiations.
Cette thèse a pour objectif de caractériser par la simulation à l'échelle atomique les phénomènes physico-chimiques à la
base de ces déplacements afin d'améliorer la résistance aux radiations des composants microélectroniques et ceci aussi
bien dans les matériaux actuellement utilisés en microélectronique que dans les matériaux des prochaines générations de
composants.
Les travaux de thèse se déclinent comme suit :
-
Pour les différents semi-conducteurs et oxydes étudiés au cours de cette thèse, une première étape consistera dans
tous les cas 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. Il
s’agira dans ces simulations de bien prendre en compte tous les effets physiques pouvant se dérouler au cours de
l’irradiation. Ces simulations seront ensuite couplées à des simulations de type Monte Carlo permettant d’étudier
l’évolution de la cascade de défauts sur des temps longs. Les résultats obtenus seront comparés aussi bien à des
résultats expérimentaux venant de la littérature qu’à des expériences dédiées réalisées par le laboratoire et des
résultats théoriques venant de codes plus macroscopiques.
-
La deuxième étape se situera au niveau quantique : des simulations ab initio basées sur la Théorie de la Fonctionnelle
de la Densité (DFT) seront menées afin de caractériser les configurations de défauts générés au cours de la
simulation. On s’intéressera particulièrement à l’effet de ces défauts sur les propriétés électroniques du matériau. Afin
de les obtenir de façon précise, on utilisera des méthodes ab initio allant au-delà de la « DFT » comme les méthodes
de perturbation à N-corps de type approximation GW.
Directeur de thèse et école doctorale : Sylvain GIRARD - ED488 Sciences Ingénierie Santé Univ. St Etienne
Contact : Nicolas RICHARD, CEA/DIF – 01 69 26 40 00 – [email protected]
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Métrologie,
instrumentation,
diagnostics
Détail de la monture pantographique du monochromateur avec
les deux supports de cristaux parallèles.
Machine de radiographie AIRIX
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Sujet :
Etude et optimisation de la source X du premier axe de radiographie de l’installation Epure
Contexte :
La Direction des applications militaires (DAM) du CEA, a pour mission de concevoir, fabriquer, maintenir en condition
opérationnelle, puis démanteler les têtes nucléaires qui équipent les forces nucléaires aéroportée et océanique françaises.
Les têtes nucléaires, appelées à remplacer les armes en service arrivant en fin de vie, sont désormais garanties sans essais
nucléaires nouveaux. La garantie de l’énergie et de la sûreté d’une arme nucléaire est obtenue en confrontant les résultats
des calculs aux mesures recueillies, entre autres, lors d’expériences de validation réalisées sur l’installation Epure.
L’installation de physique expérimentale Epure, mise en service opérationnel en octobre 2014, permet de mettre en œuvre
des essais et des expériences de laboratoire utilisant la radiographie éclair. Le principe de la radiographie éclair repose sur
l’étude de l’absorption par les matériaux traversés d’un rayonnement X très pénétrant (plusieurs MeV), très bref (environ
60 ns) et très intense (plusieurs Gray). Dans le cadre du premier axe de radiographie de l’installation Epure, la génération de
ce rayonnement X est assuré par un accélérateur à induction (AIRIX), dont le faisceaux d’électrons de très haute intensité
(plusieurs kA) interagit avec une cible de matériau lourd (Z élevé) produisant des photons X par rayonnement de freinage.
Le rayonnement X produit est caractérisé par cinq grandeurs (la distribution spatiale ou tache focale, la distribution angulaire
ou lobe, l’intensité, le spectre et la durée). Les propriétés de la source X sont fortement corrélées aux caractéristiques du
faisceau d’électrons impactant la cible. La compréhension et la maîtrise de la dynamique des faisceaux d’électrons
constituent donc une étape majeure pour l’optimisation des performances de ces machines.
En particulier, l’interaction faisceau d’électrons-cible provoque une vaporisation locale de celle-ci et conduit à l’émission
d’atomes et d’ions du métal et des impuretés absorbées ou adsorbées en surface. La production de ces ions conduit à une
neutralisation partielle de la charge d’espace du faisceau et la réduction du champ électrique radial. Le champ magnétique
azimutal du faisceau produit alors un pincement de ce dernier. Les ions sont accélérés à contre-courant du faisceau
d’électrons sous l’effet du champ électrique axial dans le faisceau. Ainsi, le déplacement au cours du temps du minimum de
dimension du faisceau et des ions de la cible conduit à un accroissement du diamètre de la tache focale. L’étude
expérimentale de ces phénomènes, la compréhension fine des mécanismes physiques mis en jeu et la confrontation des
résultats expérimentaux à la simulation sont l’objet de cette thèse.
L’objectif de la thèse est d’étudier expérimentalement et par simulation les processus physiques impliqués lors de la
conversion électrons-photons de l’accélérateur AIRIX. Sur la base des résultats acquis, des améliorations techniques
concrètes pourront être mises en place au niveau de la cible ou dans son environnement proche, dans le but d’améliorer les
qualités de la source de rayonnement X.
Pour ce faire, l’étudiant pourra s’appuyer sur la mise en œuvre récente de nouveaux diagnostics d’imagerie résolus en
temps, permettant d’observer l’évolution de la taille du faisceau d’électrons durant l’interaction avec la cible. Du point de vue
de la simulation de l’effet de l’émission ionique, l’étudiant participera à la mise en place du couplage entre deux codes de
calculs (le modèle VAPOR de production de plasma et le code LSP pour le transport des électrons et des ions). Les
modélisations issues de ce travail seront comparées aux résultats expérimentaux.
Le travail de thèse se déroulera en trois phases permettant une organisation du temps qui sera fonction des besoins de
l’étudiant pour l’avancement de ses travaux et des contraintes opérationnelles liées à l’exploitation de l’installation Epure.
Compte tenu de la spécificité du faisceau d’électrons produit par la machine AIRIX, la phase expérimentale du travail aura
lieu sur le centre de Valduc, au sein du laboratoire UMRE de l’installation Epure. L’étudiant participera, dans un premier
temps, aux campagnes expérimentales visant à caractériser la source X. Il effectuera, en lien avec l’équipe diagnostics, la
mise en œuvre et le dépouillement de l’imagerie de faisceau sur cible. Au-delà de ces travaux initiaux, il pourra réaliser des
expériences plus spécifiques portant sur l’optimisation de la cible et sur des variations paramétriques pouvant être mises à
profit pour la simulation.
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La compréhension plus fine des mécanismes de la physique des collisions et des processus primaires de l’interaction ionélectron ou ion-atome (sous la forme de poussières métalliques de cible) pourra être étudié au sein du CIMAP* de
l’Université de Caen Normandie, dans le cadre d’une collaboration avec ce laboratoire. En particulier, l’utilisation de moyens
expérimentaux tels que des sources d’agrégats métalliques en phase gazeuse et la spectrométrie de masse haute résolution
permettra à l’étudiant d’appréhender la physique fondamentale intervenant, entre autres, dans les modèles d’émission
ionique.
Enfin, en interaction avec les équipes du CEA/DAM, l’étudiant participera à l’élaboration d’un nouveau code de simulation de
la focalisation du faisceau d’électrons en présence d’effets ioniques. Ce programme sera basé sur le couplage et
l’enchaînement des codes LSP (transport électrons et ions) et VAPOR (modèle d’émission ionique). L’étudiant sera
préalablement formé à l’utilisation et à la physique intégrée dans ces deux codes avant l’élaboration du programme. Ce
travail permettra à terme une intercomparaison des résultats de la simulation avec ceux issus des expériences menées sur
le premier axe de radiographie d’Epure.
L’ensemble de ce travail conduira l’étudiant à proposer des solutions techniques compatibles des contraintes de l’installation
Epure et permettant d’améliorer les caractéristiques de la source X.
*CIMAP : Centre de Recherche sur les Ions les Matériaux et la Photonique. Unité mixte CEA, CNRS, EnsiCaen et Université
de Caen Normandie
Patrick Rousseau, [email protected]
Ecole doctorale SIMEM (Structures, Information, Matières et Matériaux) ED 181 de l’université de Caen Normandie
Contact : CEA/VALDUC : Virgile Bernigaud; [email protected]
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Sujet :
Etude des imageurs « burst » en technologie CMOS pour les diagnostics plasma du Laser MégaJoule
Contexte :
Le sujet de thèse proposé s’inscrit dans les études de R&D menées dans le cadre de la conception des diagnostics plasma
du Laser MégaJoule (LMJ). La conception de diagnostics futurs d’imagerie X et l’évolution des imageurs actuellement en
place sur cette installation doivent nécessairement prendre en compte les dernières innovations technologiques des
systèmes de détection. Cela concerne en particulier la technologie CMOS pour l’imagerie qui tend à remplacer de plus en
plus la technologie CCD. Les caméras d’imagerie CMOS bénéficient de développements spécifiques pour répondre aux
besoins des diagnostics d’imagerie Plasma grâce à un travail de collaboration entre le CEA et l’Institut Supérieur de
l’Aéronautique et de l’Espace (ISAE-SUPAERO). Les récents résultats, permettant d’enregistrer une image d’un plasma
dans une ambiance nucléaire extrême encore jamais atteinte, poussent à intégrer davantage de fonctionnalités dans le
capteur CMOS pour autoriser son utilisation avec une résolution temporelle. Cette évolution doit mener à la simplification et
à la miniaturisation des analyseurs optiques actuellement en place sur le LMJ.
Cette thèse portera sur la conception et la réalisation d’un prototype d’imageur à base de CMOS rapide dit « burst »
permettant d’obtenir une série d’images plasma avec une résolution temporelle de l’ordre de la nanoseconde. Pour ce faire,
le doctorant bénéficiera d’un prototype de test préliminaire développé en amont dont il étudiera les limites et proposera une
évolution en vue de son utilisation sur un diagnostic d’imagerie plasma. Pour réaliser cet objectif, le doctorant intégrera une
équipe pluridisciplinaire du Centre DAM de Bruyères-le-Châtel et sera amené à travailler sur ce site, ainsi que sur celui de
l’ISAE-SUPAERO à Toulouse.
Le travail de thèse sera découpé en plusieurs étapes qui se déclinent de la façon suivante :
1 : Une étude bibliographique et une synthèse seront réalisées :
-
Sur les différents systèmes d’imagerie X existants dans la communauté des installations de fusion. Le doctorant
regardera en particulier l’état de l’art sur les imageurs et les détecteurs utilisés. Il analysera les besoins des diagnostics
d’imagerie plasma et identifiera les imageurs susceptibles de bénéficier de caméra CMOS « burst ».
-
Sur les dernières avancées en matière d’imagerie rapide CMOS. Il étudiera notamment diverses approches utilisées
en imagerie « burst » et identifiera les solutions les plus prometteuses pour l’application visée.
2 : A partir du prototype de test existant, le candidat étudiera le potentiel ainsi que les limites des CMOS (résolution
temporelle, résolution spatiale, jitter, saturation, temps de réponse, temps de collection, etc). En particulier il étudiera les
non-idéalités rencontrées et les transposera sur la chaine de mesure complète d’un diagnostic au moyen par exemple d’une
chaine de simulations. Enfin, il identifiera les compromis à réaliser pour permettre son utilisation dans le cadre d’un
diagnostic LMJ.
3 : L’étudiant mettra en évidence les ruptures technologiques et améliorations que peuvent apporter l’imageur CMOS rapide
pour les applications des diagnostics.
4 : Le doctorant intègrera le prototype de test dans un diagnostic existant sur une installation de FCI (OMEGA de l’université
de Rochester par exemple) pour démontrer l’intérêt des choix de concept retenus pour l’imageur CMOS.
A l’issue de sa thèse, l’étudiant sera formé à la conception de capteurs d’imagerie CMOS, de la conception proprement dite
à la réalisation et à la caractérisation en laboratoire. Il aura acquis une solide expérience tant en électronique qu’en optique
et sera familiarisé avec les installations de fusion par confinement inertiel et leurs diagnostics associés.
Directeur de thèse et école doctorale : Vincent Goiffon (ISAE-SUPAERO), École doctorale Génie Électrique, Électronique,
Télécommunication (GEET), Université Fédérale de Toulouse Midi-Pyrénées.
Contacts : Philippe PAILLET - Adrien ROUSSEAU – 01 69 26 40 00
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Informatique scientifique,
simulation numérique,
modélisation
Structure du complexe Pu[DTPA]–1 après simulation
(code couleur : noir = plutonium ; bleu = azote ; vert = carbone ; rouge = oxygène ; blanc = hydrogène).
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simulation numérique, modélisation
S
SU
UJJE
ETT P
PH
HA
AR
RE
E
Sujet :
Utilisation de la métamodélisation pour l’analyse de fiabilité des systèmes complexes. Application aux
systèmes emboîtés à entrées et sorties intermédiaires scalaires ou fonctionnelles
Contexte :
Profitant de l'accroissement des puissances de calcul disponibles, la simulation est de plus en plus utilisée pour l'évaluation
du risque associé à des systèmes de plus en plus complexes.
De manière classique, la sécurité d'un système complexe peut être analysée à travers l'évaluation de la probabilité Pf qu'une
grandeur d'intérêt à surveiller, y=M(x), dépasse un certain seuil T :
Pf = P ( y > T ) = P ( M(x) > T ),
où le vecteur x regroupe les différents paramètres de modélisation du système étudié, et où le coût de calcul associé à une
évaluation de M peut rapidement devenir considérable.
De nombreuses méthodes, permettant d'évaluer ces probabilités à partir d'un nombre restreint d'évaluations, ont ainsi été
développées ces dernières années. La grande majorité de ces méthodes considèrent le code M comme une unique boîte
noire, et se concentrent alors sur une optimisation des tirages de x dans son espace de définition. Néanmoins, dans un
grand nombre d'applications, cette fonctionnelle peut être mise sous la forme :
M(x) = MP ○ … ○M1(x),
où M1,…, MP peuvent correspondre :
•
à un enchaînement de plusieurs codes aux physiques différentes, aux coûts numériques variables, faisant
apparaître des résultats intermédiaires utilisables, qui peuvent être de natures scalaires ou fonctionnelles,
•
à des appels au code pour des conditions initiales différentes, avec par exemple le cas suivant, pour 1 ≤ i ≤ P :
Mi ○ … ○ M1(x) = { f(t,x), 0 ≤ t ≤ ti }, 0 ≤ t1 ≤ … ≤ tP,
où f(t,x) correspond à la réponse transitoire à t d'un code de calcul, ne dépendant que de la réponse de ce système aux
instants t' ≤ t.
Dans de telles configurations, le coût total Ctot associé à une évaluation de M correspond à la somme des coûts Ci,
associés à chaque opération Mi respectivement :
Ctot = C1 + … + CP.
Ce travail de thèse cherchera ainsi à proposer des méthodes innovantes permettant d'exploiter cette structure "emboîtée"
dans une perspective d'optimisation de l'évaluation de Pf à coût total fixé. En particulier, la possibilité d'utiliser des
métamodèles, ainsi que la quantification des erreurs de métamodélisation associées, seront étudiées.
Après une analyse bibliographique portant sur l’utilisation de la métamodélisation pour l’analyse de fiabilité, on cherchera à
adapter les méthodes existantes aux cas des systèmes emboités. Une optimisation de ces méthodes, ainsi que la
proposition de méthodes originales spécifiques, seront ensuite encouragées. Enfin, ces approches seront appliquées à des
exemples à la fois analytiques et numériques.
Directeur de thèse et école doctorale : Josselin Garnier (Laboratoire de Probabilités et Modèles Aléatoires / Laboratoire
Jacques-Louis Lions).
Contact : Guillaume Perrin – CEA/DAM Ile de France – 01 69 26 40 00
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Sujet :
Approximation et simulation numérique des équations de la MHD bitempératures
Contexte :
A l'heure actuelle, les champs magnétiques jouent un rôle important dans la fusion par confinement inertiel. Ils sont
particulièrement importants dans la limitation du transport d'énergie par les électrons. Dans ce but, le CELIA dispose
d'algorithmes permettant de calculer le développement des champs magnétiques azimutaux ainsi que leur influence sur la
conductivité thermique électronique et l'hydrodynamique en géométrie axisymétrique. Toutefois mise à part une influence sur
le coefficient de transport électronique transversal sur la direction des champs magnétiques, il n'existe pas de rétroaction de
ces champs sur l'écoulement dans les modèles actuellement en service au CELIA.
Les nouvelles installations expérimentales comme PETAL dédiées aux ultra hautes intensités lasers, ainsi que la physique
de l'allumage rapide nécessitent cependant de tenir compte de toutes les composantes du champ magnétique et de leur
rétroaction sur l'écoulement. En effet, la force d'Ampère et l'énergie magnétique ne peuvent plus être négligées devant la
pression et l'énergie de l'écoulement. Il faut donc considérer une approche plus complète, magnéto-hydrodynamique (MHD)
du problème. On considérera le couplage entre une hydrodynamique axisymétrique bidimensionnelle et des champs
magnétiques tri-dimensionnels. On retrouve des modèles semblables dans les domaines de la striction magnétique utilisée
(Z-pinches), dans l'astrophysique et dans la fusion par confinement magnétique. Ce travail pourra donner lieu à une
collaboration avec le groupe de recherche de l'université de Nice dédié aux applications de la fusion magnétique (ITER).
Les modèles mathématiques incluent des systèmes d’équations aux dérivées partielles hyperboliques non conservatifs.
L’analyse et l’approximation numérique de tels systèmes sont l’objet de nombreuses publications à l’heure actuelle. Donner
un sens rigoureux à leurs solutions, construire des schémas performants, déterminer la pertinence d’une approximation
numérique, tels sont les problèmes qui se posent. Récemment, des modèles cinétiques et des schémas basés sur des
approches dites de relaxation ont été proposés. De plus, il a été montré que le système d’Euler bitempérature admet une
entropie dissipative qui peut être utilisée pour définir des solutions admissibles. Un post-doc est en cours pour approfondir et
étendre les résultats obtenus dans un cadre multi-dimensionnel. L’objectif de cette thèse est d’étendre ces résultats à des
modèles prenant en compte le champ magnétique ainsi que leur rétroaction sur la dynamique du plasma.
Les travaux de thèse se déclinent comme suit : une première étape consistera à prendre en compte les champs
magnétiques. Il s’agira d’établir un système macroscopique à partir d’un modèle cinétique sous-jacent faisant intervenir le
champ électromagnétique. On en étudiera les propriétés entropiques afin de donner un sens mathématiquement rigoureux
aux solutions physiquement admissibles. On construira ensuite des schémas numériques innovants. Finalement, dans une
dernière étape, l’approche sera validée par comparaison avec des résultats théoriques et expérimentaux.
Directeur de thèse et école doctorale : D. Aregba-Driollet et S. Brull, école doctorale de mathématiques et informatique,
université de Bordeaux, [email protected] , [email protected]
Contact : B. DUBROCA, [email protected] tel : 05 40 00 37 66, CELIA/Université de Bordeaux
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Sujet :
Génération efficace de noyaux de calcul sur accélérateurs pour les applications de dynamique
moléculaire
Contexte :
L’évolution matérielle, envisagée dans le cadre du renouvellement futur des grands centres de calcul mondiaux, va vers un
parallélisme massif possédant des caractéristiques techniques bien différentes de celles des supercalculateurs parallèles
actuellement utilisés au CEA/DAM ou au TGCC. Ces futures machines de puissance dites « exaflopiques » auront un
nombre de cœurs de calcul beaucoup plus important au sein d’un même processeur souvent associés à des accélérateurs
de type GPU ou Xeon Phi. Conséquence de ces évolutions, la programmation homogène « à plat », qui consiste à n’avoir
qu’un niveau de parallélisme, touche à sa fin. Il faut donc se préparer à vivre dans un monde dit « hybride », où il est
impératif d’extraire tout le parallélisme possible d’un code de calcul (allant de la vectorisation au parallélisme distribué en
passant par le massivement multithreads).
Dans le contexte de la dynamique moléculaire (DM) appliqué à la physique de la matière condensée, les études du
comportement des matériaux dans des conditions extrêmes requièrent la simulation de systèmes toujours plus grands avec
une physique de plus en plus complexe. L’adaptation des codes de DM aux architectures exaflopiques est donc un enjeu
très important.
Au sein du CEA de Bruyères-le-Châtel, nous avons débuté le développement d’un nouveau code de dynamique moléculaire
classique : ExaStamp [1]. Ce code est destiné à réaliser des simulations à très grandes échelles sur les futures machines
Exaflopiques. Aujourd’hui, Exastamp est capable de s’exécuter sur plusieurs milliers de machines hybrides associant CPU
multi-cœurs et accélérateurs de type GPU ou Xeon Phi [2]. L’architecture code d’ExaStamp s’organise autour de trois
niveaux de parallélisme : décomposition de domaine avec MPI, du multithreading massif sur chaque domaine et un système
de vectorisation explicite. La version actuelle ExaStamp permet la réalisation de premières simulations à plusieurs milliards
de d’atomes.
Il reste néanmoins un travail important à réaliser afin de mettre à disposition des physiciens développeurs un système plus
performant leur permettant de développer et d’implémenter de nouvelles méthodes numériques tous en conservant un
niveau élevé de performances. Pour cela, une piste serait de proposer un DSL/ ou une version allégée d’un langage
spécialisé tel qu’OpenCL permettant d'écrire des noyaux « génériques » spécialisés avec des directives pour être ensuite
traiter par « préprocesseur » spécifique. Le code généré, en fonction du matériel ciblé (avec des règles d'optimisation), sera
alors optimisé et adapté à l’architecture ExaStamp (structures de données, fonctions spécialisées…). Par exemple, la
complexité de mise en œuvre de mémoire NUMA ou d’unités vectorielles sera complétement masquée. En fait, grâce à un
tel système, la programmation dans ExaStamp par des non spécialistes du domaine HPS doit être grandement facilitée ainsi
que sa capacité d’adaptation aux futures générations de machines de puissances.
L’objectif est donc, à partir d’une analyse des noyaux de calculs existants dans l’application ExaStamp, de proposer une
façon générique d’écrire les noyaux de calcul (sans aucune optimisation dans un premier temps) qui puisse aboutir à une
génération de code pour n’importe quelle cible (CPU ordinaire, accélérateur GPU, Xeon Phi). Il s’agira ensuite de
comprendre comment introduire des optimisations dans ces noyaux qui dépendent de l’architecture cible, soit en spécifiant
des règles d’optimisation dans une base annexe, soit en enrichissant le langage avec des directives d’optimisation
optionnelles.
Après une étude de l’état de l’art et une prise en main des outils et machines disponibles, le candidat étudiera, proposera et
développera des solutions innovantes qu’il sera amené à publier dans les meilleurs revues et conférences du domaine. Le
candidat intégrera un environnement pluridisciplinaire (informatique et physique), en ayant un accès privilégié pour ses
expérimentations à des très grands calculateurs. Le candidat sera localisé sur le site du CEA de Bruyères-le-Châtel, en lien
étroit avec les équipes de spécialiste en calcul haute performance de l’INRIA Bordeaux.
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La thèse se déroulera au CEA, Bruyères-le-châtel, avec des visites régulières à l’INRIA Bordeaux.
Directeur de thèse et école doctorale : Raymond Namyst, Professeur à l’Université de Bordeaux
Contacts: Laurent Colombet et Raymond Namyst
Références :
[1] E. Cieren, L. Colombet, S. Pitoiset and Raymond Namyst, “ExaStamp: a Parallel Framework for Molecular Dynamics on
Heterogeneous Clusters”, Euro-Par2014 Workshop.
[2] A. Heinecke, M. Klemm and H.-J. Bungart, "From GPGPUs to Many-Core: NVIDIA Fermi and Intel Many Integrated Core
Architecture," Computing in Science and Engineering, vol. 14, no. 2, p. 78–83, 2012.
[3] O. Durand and L.Soulard, “Mass-velocity and size-velocity distributions of ejecta cloud from shock-loaded tin surface
using atomic simulations”, Journal of Applied Physics, 117(16):-2015.
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Sujet :
Stockage massif pour le HPC par utilisation de storage blobs
Contexte :
Les nouvelles technologies misent en œuvre dans le calcul haute-performance laissent présager de profondes évolutions
dans les années à venir (calculateurs de classe exaflopique). Du point de vue du stockage de données, la problématique se
pose également car les futurs moyens de stockage de données devront faire face à un flux de données importantes, tant du
point de vue des données elles-mêmes que de la gestion des métadonnées des fichiers. Cela nous conduit à remettre en
cause les mécanismes de systèmes de fichiers parallèles et d’HSM classiquement mis en œuvre dans les « data centers »
et les centres de calcul. Dans cette optique, il convient de déployer de nouveaux paradigmes introduisant des objets
faiblement typés (ou « storage blobs »), indépendants les uns des autres, accédés de manière associative et existants en
très grands nombres. Cette problématique n’est pas propre au HPC, les technologies de type « storage cloud » recoupent
des problématiques similaires.
Cette thèse se propose de définir et de mettre en œuvre le modèle de « storage blobs » dans le but de construire des
solutions de stockage massives à même de supporter les flux produits par des calculateurs exaflopiques. Les capacités
envisagées de ces systèmes seront, à l’horizon 2020, de l’ordre de l’exaoctet voire du yottaoctet, tout en conservant la
scalabilité de la solution en termes d’accès et de consultation.
Cette thèse définira la structure des « storages blobs », les méthodes pour les accéder et proposera une solution prototype
destinée à être testée sur les centres de calcul du CEA/DAM/DIF/DSSI.
Les étapes envisagées incluent une étude des technologies existantes pour 1) adresser de nombreux objets sous forme
associative mais avec des contraintes lâches, les solutions propres à Hadoop et NOSQL feront partie de ce périmètre, et 2)
établir un format propre au blob permettant de les conserver sur des supports hétérogènes (disques rotatifs, SSD, NVRAM,
bandes magnétiques, clouds…) et garantissant leur duplication et leur réplication. Ensuite, une fois une proposition de
modèle de « storage blob » définie, celle-ci sera mise en œuvre dans un prototype destiné à être testé sur les calculateurs
du CEA/DIF/DSSI.
Directeur de thèse et école doctorale : William Jalby – Université de Versailles St Quentin
Contact : Philippe DENIEL – CEA/DAM Ile de France – 01.69.26.40.00
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Sujet de thèse :
Analyse bayésienne de la propagation des infrasons
Contexte : La simulation numérique de la propagation des ondes repose sur des codes de calcul dont la complexité varie
selon l'objectif recherché. Ces codes prennent en entrée des jeux de données qui sont mal connus, soit du fait de lacunes de
connaissance (on parle d'incertitude épistémique), soit du fait d'une variabilité inhérente au milieu de propagation. Lorsqu'on
s'intéresse à la propagation des ondes dans l'atmosphère, il faut modéliser la variabilité naturelle de l'atmosphère. En
pratique, les données sont transmises par le Centre Européen pour les Prévisions Météorologiques à Moyen Terme
(CEPMMT) sous la forme de prévisions et les échelles non résolues par le CEPMMT sont estimées à partir de modèles
sous-maille. Se pose donc la question de l'effet de ces modèles sur les signaux calculés.
La propagation des ondes acoustiques à grande distance d'une source donnée est étudiée à partir de plusieurs modèles, qui
sont autant d'assemblages mêlant des lois de propagation (équation d'onde, équations d'Euler ou de Navier-Stokes), des
méthodes de résolution, des approximations numériques et des lois semi-empiriques. Toutes les échelles spatiales et
temporelles de l'atmosphère n'étant pas prises en compte de la même manière dans ces modèles, on peut s'attendre à ce
que les tendances statistiques calculées diffèrent d'un cas à l'autre, et dans certains cas n'aient pas d'interprétation
physique. L'expérience montre qu'en fonction du cas traité (distance de propagation, énergie libérée, intensité du couplage
avec le milieu) et de la qualité des données atmosphériques, le modèle qui reproduit le mieux les observations n'est pas
toujours le même.
Pour être prédictifs, les modèles doivent prendre en compte l'ensemble des incertitudes. La pratique statistique standard
consiste à sélectionner un modèle au sein d'une classe de modèles et à faire comme si le modèle retenu avait généré les
signaux enregistrés. Le problème avec cette approche, c'est qu'elle ignore l'incertitude générée lors de la sélection du
modèle, ce dernier regroupant un code de calcul, un modèle de propagation et un modèle sous-maille. Or, un choix a priori
peut conduire à sous-estimer les intervalles de confiance et à prendre des décisions plus erronées et risquées que ce qu'on
pourrait croire. C'est le cas lorsqu'on cherche à estimer la probabilité d'une énergie de source en utilisant un modèle pour les
incertitudes atmosphériques qui ne permet pas de reproduire correctement les observations. L'erreur commise se répercute
alors sur l'estimateur Monte Carlo de l'énergie. Et comme le nombre de configurations accessibles par la simulation
numérique est limité, un mauvais choix de modèle peut conduire à des intervalles de confiance arbitrairement grands.
L’utilisation de techniques non-intrusives d’approximation stochastique de type chaos polynomial combinant l’analyse
fonctionnelle et les probabilités, permettent de tirer avantage de la régularité de la réponse du système. Dans ce cas, une
convergence plus rapide que Monte-Carlo est obtenue, ce qui permet de réduire le nombre de tirages et donc de diminuer le
coût de calcul nécessaire à la quantification des incertitudes issues de la propagation acoustique.
Objectif : Le principal objectif de cette thèse est de prendre en compte l’incertitude de modèles, c’est-à-dire de faire le tri
dans les modèles disponibles et d'identifier les assemblages/modèles les plus pertinents via le calcul de probabilités
conditionnelles à la connaissance de données supplémentaires (pouvant provenir de mesures expérimentales ou de
quelques résultats numériques obtenus avec des calculs plus lourds).
Déroulement : On évaluera l'apport des méthodes statistiques bayésiennes BMA (Bayesian Model Averaging) qui
permettent de réduire les incertitudes en combinant et pondérant différents modèles et ainsi d'affiner les prévisions en
exploitant les observations. Cette technique permet également de calibrer statistiquement au mieux les paramètres propres
aux différents modèles appréhendés. On portera une attention particulière à l'estimation des lois de probabilités des résultats
des codes. Les simulations seront réalisées en exploitant des modèles réduits (code FLOWS développé au CEA) et des
modèles plus complexes (éléments finis et différences finies à haute résolution). En combinant le formalisme BMA, les
modèles réduits et les techniques MCMC (Monte Carlo par chaînes de Markov) pour le calcul des probabilités. L'ambition de
cette thèse est d'exploiter les bases de données existantes pour améliorer les prévisions numériques en contexte
stochastique. Un des enjeux de cette thèse est de quantifier le gain que l'on peut attendre dans la caractérisation des
évènements lorsque l'atmosphère est fortement perturbée.
Ecole doctorale : ED 391 : Sciences mécaniques, acoustiques, électroniques et robotique.
Directeurs de thèse : C. Millet (CEA/DIF) et D. Lucor (UPMC et LIMSI-CNRS).
Contact : [email protected]
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Cavités de forme de forme « ballon de rugby » et cylindrique classique.
Un seul faisceau est représenté pour chaque angle d’incidence, sur un total de 20 de chaque côté.
Les cavités ont le même diamètre et la même taille de trous d’entrée laser.
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Sujet :
Physique de la génération et du transport des particules alpha pour l'allumage par choc
Contexte :
Le laboratoire CELIA développe des études sur différents schémas de fusion inertielle par laser avec l'objectif de proposer
une solution efficace pour la production d'énergie. Les travaux théoriques et numériques sont soutenus par des expériences
menées par des chercheurs du laboratoire auprès des grands lasers en France et à l’étranger. En particulier, le schéma
d'allumage des réactions de fusion par un choc fort est étudié pour être testé sur le Laser MégaJoule au CEA/CESTA. Le
procédé d'allumage par choc consiste en initiation des réactions de fusion des ions de deutérium et tritium derrière un choc
fort convergeant vers le centre de cible. Les particules alpha créées lors cette réaction doivent déposer leur énergie derrière
le choc pour maintenir la combustion et produire le surplus de l’énergie. Mais l’énergie de ces particules est assez
importante et une partie d’elles s’échappent du choc. Une théorie cinétique du transport est nécessaire pour décrire
correctement les processus de l’allumage des réactions et la propagation de l’onde de combustion.
Développement de la théorie cinétique des réactions de fusion dans le schéma de l’allumage par choc et du processus de la
combustion. Réalisation d’un modèle numérique du processus d’allumage avec les particules alpha décrites de façon
cinétique. Les étapes suivantes sont envisagées : 1) le critère de l’allumage par choc avec un modèle simplifié du transport
des particules alpha ; 2) étudier l’influence de la propagation d’un choc fort sur les réactions de fusion ; 3) développer un
modèle cinétique de transport des particules alpha ; 4) coupler la description cinétique des réactions de fusion avec un
modèle hydrodynamique de l’implosion de la cible et de propagation du choc. L'ensemble de ces travaux permettra
d'améliorer le design des cibles pour la fusion inertielle par laser pour le schéma d'allumage par choc.
La thèse inclut trois étapes principales. D'abord, le doctorant(e) étudiera les résultats de la thèse de B. Peigney terminée il y
a quelques mois concernant la modélisation des réactions de fusion avec un code cinétique Fokker-Planck pour des ions. Le
rôle des divers phénomènes physiques sera ainsi identifié. Dans un second temps, il (elle) développera un modèle simplifié
décrivant le chauffage de la cible par un choc fort et l’excitation des réactions de fusion. La troisième étape sera dédiée à
l’amélioration du modèle simplifié et à l’étude des paramètres optimaux de l’excitation des réactions de fusion comme la
force et la pression de choc et la densité et température de plasma. Les modèles développés seront validés par
comparaison à des simulations numériques et des résultats expérimentaux.
Le candidat devra avoir suivi une formation en physique, et des connaissances en programmation sont souhaitées. Il
intégrera le groupe des plasmas chauds du CELIA travaillant sur l'interaction laser-matière tant du point de vue théorique
qu'expérimental.
Directeur de thèse et école doctorale : V. Tikhonchuk (Pr. HDR), O. Larroche (CEA/DAM) ; École doctorale des Sciences
Physiques et de l'Ingénieur, Université de Bordeaux
Contact : [email protected] CELIA/Université de Bordeaux
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Sujet :
Physique de l'interaction laser-plasma pour l'allumage par choc
Contexte :
Le laboratoire CELIA développe des études sur différents schémas de fusion inertielle par laser avec l'objectif de proposer
une solution efficace pour la production d'énergie. Les travaux théoriques et numériques sont soutenus par des expériences
menées par des chercheurs du laboratoire auprès des grands lasers en France et à l’étranger. En particulier, un nouveau
schéma d'allumage des réactions de fusion par un choc fort sera étudié sur le Laser MégaJoule au CEA/CESTA. Le procédé
d'allumage par choc nécessite des intensités lasers telles que l'interaction avec le plasma se produit dans le régime nonlinéaire où des instabilités paramétriques sont excitées, donnant lieu à une rétro-diffusion de la lumière, des transferts
d’énergie entre faisceaux, une perturbation forte de la densité, et la génération d'électrons de grandes énergies. Ces
processus non-linéaires, étudiés surtout à l'échelle microscopique, viennent d’être partiellement introduits dans le code de
calcul hydrodynamique du CELIA dédié à la modélisation de la fusion inertielle. Sur la base de ce nouvel outil, la thèse
proposée a pour but d’étudier finement les divers mécanismes physiques et leurs couplages, et d’améliorer les modèles
microscopiques par comparaison à des résultats expérimentaux.
Etude des processus linéaires et non-linéaires de l'interaction laser-plasma et amélioration des modèles microscopiques.
Les étapes suivantes sont envisagées : 1) étudier l’influence de l’auto-focalisation d’un faisceau laser par effet
pondéromoteur sur le transfert d’énergie entre faisceaux et l’excitation des instabilités paramétriques ; 2) étudier l’influence
des électrons chauds sur l’ablation de la cible et la dynamique des chocs excités ; 3) effectuer les modélisations pour des
expériences sur l’excitation des chocs forts par le laser ; 4) améliorer la description des instabilités paramétriques dans le
code hydrodynamique en utilisant des comparaisons entre simulations numériques et données expérimentales, en particulier
pour la rétro-diffusion Raman. L'ensemble de ces travaux permettra d'améliorer la modélisation de l'interaction laser-plasma
nécessaire au design des cibles pour la fusion inertielle par laser, en particulier pour le schéma d'allumage par choc.
La thèse inclut trois étapes principales. D'abord, le doctorant(e) prendra en main le code hydrodynamique incluant les effets
microscopiques non-linéaires en effectuant des simulations et en les comparant à des résultats expérimentaux. Le rôle des
divers phénomènes physiques sera ainsi identifié. Dans un second temps, il (elle) effectuera des études pour analyser le
rôle des effets de propagation laser et de génération d’électrons chauds sur la dynamique des chocs. La troisième étape
sera dédiée à l’amélioration du modèle simplifié d’instabilités paramétriques type Raman et Brillouin. En particulier, on
cherchera à proposer un modèle permettant de rendre compte de l'augmentation de réflectivité du plasma due à la rétrodiffusion Raman. Les modèles développés seront validés par comparaison à des simulations numériques et des résultats
expérimentaux.
Le candidat devra avoir suivi une formation en physique, et des connaissances en programmation sont souhaitées. Il
intégrera le groupe des plasmas chauds du CELIA travaillant sur l'interaction laser-matière tant du point de vue théorique
qu'expérimental.
Directeur de thèse et école doctorale : V. Tikhonchuk (Pr. HDR), G. Duchateau (Resp. CEA, HDR) ; École doctorale des
Sciences Physiques et de l'Ingénieur, Université de Bordeaux
Contact : [email protected] ; [email protected] CELIA/Université de Bordeaux
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Sujet :
Etude de rayonnement TeraHertz (THz) émis par un plasma généré à l’aide de sources laser émettant
dans l’infrarouge moyen
Contexte :
L’émission de rayonnement large bande THz, émanant de plasmas créés par des impulsions femtosecondes, suscite un
intérêt croissant depuis plusieurs années. Cette génération THz est attribuée à 2 mécanismes fondamentaux amplement
décrits dans la littérature. Le premier repose sur l’excitation d’ondes plasma par la force pondéromotrice. Le second, quant à
lui, provient de la création de photo-courants liés à l’ionisation du milieu. Actuellement, la génération de rayonnement THz
par un plasma est obtenue grâce à une source femtoseconde intense basée sur la technologie Ti:Sa émettant dans le
proche infrarouge à 0.8 µm. Cependant, selon de récents travaux, l’utilisation d’une source dans l’infrarouge moyen
(émettant dans la bande 2-8 µm) devrait produire un flux THz beaucoup plus important. L’augmentation de l’efficacité serait
directement liée à la loi d’échelle sur la puissance critique d’autofocalisation qui varie comme le carré de la longueur d’onde
et qui permettrait de propager une plus grande quantité d’énergie dans le filament plasma induit par le laser. D’autre part,
l’utilisation de grandes longueurs d’onde et par conséquent de photons de plus faible énergie affecte le régime d’ionisation et
par conséquent l’établissement du photo-courant.
Objectif du postdoctorat :
Dans ce projet, nous proposons d’étudier le régime d’interaction avec ces nouvelles sources intenses aux grandes longueurs
d’onde tant d’un point de vue expérimental que théorique. Le laboratoire CELIA possède les outils nécessaires (code de
simulation et sources lasers) pour cette étude. Le candidat sélectionné devra donc mettre en place les expériences de
génération et de caractérisation du signal THz pour différents paramètres de la source femtoseconde dans l’infrarouge
moyen. En parallèle il effectuera les simulations nécessaires à la modélisation et à la compréhension des phénomènes
étudiés. A cet effet, les travaux scientifiques du candidat viendront compléter le projet ASTRID ALTESSE (CEA/DAM,
CELIA, ISL) dont l’objectif est d’étudier et de caractériser des sources THz émises par plasma pour la détection d’explosifs.
Le candidat devra posséder une formation avancée en optique non-linéaire ultrarapide et en expérimentation avec des
lasers femtosecondes. Des connaissances dans le domaine du THz sont bienvenues (mais pas obligatoires). Une
expérience en calcul massivement parallèle serait un plus.
Contact : R. Nuter/S. Skupin/E. Cormier, CELIA/Université de Bordeaux
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Sujet :
Caractérisation à ultra-haute résolution spatiale, temporelle et spectrale d’un plasma dense et chaud au
moyen des nouvelles sources lasers X intenses (XFEL)
Contexte :
Un travail récent réalisé dans le laboratoire a permis de démontrer l’efficacité du chauffage de petites cibles par des lasers
de durée sub-picoseconde, et d’intensité sur cible comprise entre 1018 et 1019 W/cm2. Dans ces régimes d’interaction lasermatière, une grande quantité de l’énergie laser est convertie en électrons rapides. Une partie de ces électrons chauffent par
collision de la matière au cours de leur propagation, permettant ainsi d’atteindre des températures très élevées pendant un
temps suffisamment bref pour que des mesures des propriétés spectrales de plasmas à la densité voisine de la densité du
solide soient possibles. Nos résultats ont permis de quantifier les températures atteintes, de l’ordre de 4 millions de degrés,
et démontré que les codes particulaires sont prédictifs dans ce régime particulier d’interaction.
Pour autant, les mesures réalisées jusqu’à présent étaient soit intégrées dans le temps soit mesurées pendant des temps
caractéristiques de l’ordre de 2 ps, encore trop longs vis-à-vis des temps caractéristiques de recombinaison ou de relaxation
électron-ion.
Le travail de thèse proposé consistera à étudier l’évolution du plasma pendant les 10 premières picosecondes de son
évolution et obtenir des données inédites sur ses propriétés spectrales (opacités), son temps de recombinaison (phénomène
de collapse radiatif) et les taux de relaxation électron-ion (diffusion Thomson dans le domaine X) avec une résolution
temporelle de 60fs.
Les expériences seront réalisées sur la station MEC (Matter in Extreme Conditions) au Linac Coherent Light Source (SLAC
à l’Université de Stanford) en collaboration avec des chercheurs français du Laboratoire LULI, américains et anglais.
La thèse se déroulera en plusieurs phases. Il faudra tout d’abord prendre en main les outils de dimensionnement du
laboratoire (codes d’hydrodynamique radiative, codes de physique atomique) ou disponibles dans un Laboratoire voisin sur
le Centre CEA de Bruyères-le-Châtel (code particulaire PIC à deux dimensions) afin de définir les paramètres de
l’expérience et les diagnostics nécessaires à son succès. A l’issue de cette phase, une première expérience devra être
réalisée, dépouillée et analysée. Enfin, le travail de thèse s’accompagnera d’un travail théorique de dimensionnement du
diagnostic de diffusion Thomson X en collaboration avec des théoriciens du CEA Bruyères-le-Châtel.
Directeur de thèse et école doctorale : Sophie Baton, Laboratoire LULI (Ecole Polytechnique), Campus Paris-Saclay
Contact : Bérénice Loupias, CEA/DIF, 91297 Arpajon, 01 69 26 40 00, [email protected]
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Sujet :
Analyse non-normale de stabilité hydrodynamique d'écoulements d'ablation en fusion par confinement
inertiel
Contexte : La fusion par confinement inertiel (FCI) vise à produire de l'énergie à partir de réactions nucléaires de fusion
entre éléments légers. Un des procédés envisagés pour obtenir les hautes densités et températures nécessaires au
déclenchement des réactions de fusion, est d'imploser un micro-ballon, rempli d'un mélange fusible, au moyen d'un
rayonnement intense. Au cours de ce processus, plusieurs instabilités hydrodynamiques perturbent l'écoulement et peuvent
empêcher l'inflammation. L’instabilité de l'écoulement d'onde thermique subsonique (écoulement d'ablation) qui prévaut
initialement lors de l'interaction du rayonnement avec la coquille du micro-ballon, en fait partie. Le principal défi posé par
l'étude de cette instabilité tient au caractère instationnaire, compressible et confiné de l'écoulement. Cependant une telle
étude peut être simplifiée grâce à l'emploi de solutions auto-semblables des équations d'Euler avec conduction de chaleur
non linéaire (Clarisse et alii, J. Fluid Mech. 2008).
Objectif de la thèse : Ce sujet s'inscrit dans un effort à moyen terme visant à une meilleure compréhension des instabilités
hydrodynamiques se développant lors de la phase initiale de l'éclairement d'un micro-ballon en FCI. Ces instabilités
constituent un facteur limitant, indispensable à maîtriser pour assurer le succès de la FCI, comme le confirme les
expériences américaines d'ignition (NIF). Le caractère instationnaire, compressible et stratifié des écoulements associés
impose une approche globale, et donc nécessairement numérique, du problème de stabilité. L'approche suivie, développée
au cours de thèses précédentes et qui n'a pas d'équivalent dans le domaine, utilise des solutions auto-semblables
instationnaires des équations de la mécanique des fluides non-visqueux, compressibles avec conduction de chaleur nonlinéaire comme écoulements de base modèles (Boudesocque-Dubois et alii, J. Fluid Mech. 2008). La nécessité de décrire
précisément les différents phénomènes physiques - notamment de type acoustique - a conduit au développement d'un code
de stabilité hydrodynamique à haute résolution (méthode Chebyshev multi-domaine) pour calculer ces écoulements de base
et leurs perturbations linéaires (Boudesocque-Dubois et alii, J. Comp. Phys. 2003 et 2013).
La stabilité d'un écoulement est tributaire d'éventuels transitoires de perturbations dont l'identification requiert l'utilisation de
méthodes d'analyse non-normale (ou non-modale) de stabilité qui ont été développées ces vingt dernières années en
mécanique des fluides (cf. Schmid, Ann. Rev. Fluid Mech. 2007). L'analyse non-normale est devenue un élément
incontournable des études de stabilité hydrodynamique mais n'a pourtant jamais été appliquée aux écoulements de type
FCI. L'objectif de cette thèse est d'accomplir une première analyse non-normale d'écoulements auto-semblables d'ablation.
Du fait du caractère instationnaire de ces écoulements, cette analyse sera menée via la méthode du problème adjoint qui
devra être développée dans ce cadre particulier et mise en œuvre dans le code de stabilité. L'étude de stabilité proprement
dite consistera à calculer les perturbations initiales et/ou aux limites optimales d'une sélection (sur la base de résultats de
simulations « multi-physiques ») de solutions auto-semblables représentatives d'écoulements d’ablation en attaque indirecte
– i.e. pour un rayonnement X.
Déroulement de la thèse : Le cadre rigoureux fourni par les écoulements auto-semblables d'ablation et la disponibilité du
code de stabilité permettent de mener le travail de recherche proposé dans la durée d'une thèse. La mise en pratique des
concepts de l'analyse non-normale sur ces écoulements d'ablation place ce sujet à la pointe de la recherche en stabilité
hydrodynamique dans le domaine de la FCI et plus largement dans celui des hautes densités d'énergie. Les caractères
instationnaires, compressibles et raides de ces écoulements avec conduction de chaleur donneront au doctorant une
expérience de portée plus générale pouvant être valorisée en dynamique des fluides réactifs (combustion, etc.) ou encore en
mécanique des fluides numérique – que ce soit pour des activités de recherche ou d'études à caractère industriel.
Déroulement prévisionnel de la thèse :
Etude bibliographique, formulation du problème adjoint, implantation de sa résolution numérique et de la méthode
d'optimisation dans l'outil numérique, rédaction de la partie méthodologie d'un article pour le journal Journal of Fluid
Mechanics (18 mois).
Analyse non-normale de stabilité de la sélection d'écoulements d'ablation radiative, rédaction de la partie résultats de
l'article (12 mois).
La rédaction du mémoire (6 mois) sera menée conjointement au travail de recherche.
Directeur de thèse et école doctorale : Ecole doctorale Sciences Mécaniques, Acoustique et Electronique et Robotique de
Paris (SMAE)
Contact : Jean-Marie CLARISSE, CEA/DAM Ile-de-France – 01 69 26 40 00 – [email protected]
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Sujet :
Instabilité de Vishniac dans les restes de supernova
Contexte :
Quand une étoile explose en supernova, elle génère une onde de choc, initialement sphérique, qui se propage dans le
milieu ambiant (milieu circumstellaire – MCS – et milieu interstellaire – MIS –) entourant initialement l’étoile. Lors de sa
propagation, elle balaie la matière du milieu ambiant et celle-ci se concentre de plus en plus, avec le temps, dans la région
située juste derrière le front du choc. On assiste alors à la formation d’une coquille sphérique massive, mais comme celle-ci
subit plusieurs instabilités dont celle de Vishniac, elle se déforme jusqu’à la fragmentation en donnant naissance à des
filaments et des structures complexes. Une thèse vient d’être soutenue sur ces aspects dans l’équipe.
Cette thèse se situe dans le prolongement de celle qui vient d’être soutenue et elle consiste à éclaircir les mécanismes de
formation et de dislocation de la coquille sphérique dense qui se forme suite à la propagation de l’onde de choc dans le
milieu ambiant (voir « contexte » ci-dessus). En ce qui concerne la formation, on prendra en compte le refroidissement de la
matière choquée et chaude par perte de rayonnement. L’intensité de ce mécanisme sera liée au processus de densification
de la coquille et de diminution de son épaisseur. On étudiera alors la stabilité de la coquille fine après avoir ré-examiné les
fondements et les hypothèses de l’instabilité de Vishniac. On essaiera de voir si des liens existent avec l’instabilité de
Rayleigh-Taylor, également invoquée dans les restes de supernova dans la littérature et de savoir si l’instabilité de Vishniac
peut conduire à une filamentation comme cela peut être le cas avec l’instabilité de Rayleigh-Taylor. L’étude sera menée à la
fois de manière analytique et de manière numérique à travers une collaboration avec l’observatoire de Paris-Meudon.
La thèse commencerait en septembre 2015. Le doctorant profiterait de l’expertise de l’observatoire de Paris-Meudon dans
le domaine et il partagerait son temps, selon l’avancement du travail, entre les deux laboratoires (CEA et Observatoire).
Directeur de thèse et école doctorale : Serge Bouquet, ED 127
Contact : Serge Bouquet, [email protected]
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Sujet :
Génération et utilisation des chocs approchant le GBar
Contexte :
Le laboratoire CELIA développe des études sur la physique de hautes densités d’énergie avec des lasers de puissance avec
l'objectif des propriétés des matériaux en conditions extrêmes et pour proposer une solution efficace pour la production
d'énergie avec les réactions de fusion. La génération des chocs de pression de plusieurs centaines de Mégabar en
géométrie plane et en géométrie convergente ouvre une nouvelle voie dans ce domaine de recherche. Ces chocs forts
pourront être utilisés dans le contexte de la fusion inertielle par l’allumage par choc et pour l’étude des matériaux aux
pressions approchant le GBar. Les expériences sur l’installation LMJ/PETAL sont envisagées.
L’objectif de la thèse est d’étudier la génération de pressions extrêmes approchant le GBar. Depuis une vingtaine d’années
la communauté scientifique a développé des méthodes pour générer chocs de pression de quelques dizaines de mégabar et
les utiliser pour étudier la matière en conditions extrêmes.
Une nouvelle approche montre la possibilité de réaliser des pressions supérieures de centaines de Mbar en utilisant les
géométries convergentes. Les premiers résultats obtenus dans ce régime de pressions montrent un comportement inattendu
des matériaux. Contrairement au paradigme courant, les matériaux ne semblent pas forcement devenir «simples» à des
pressions très élevées.
L’objectif de cette thèse est de contribuer à ouvrir ce nouveau domaine de recherche en France en réalisant des
expériences de génération de chocs très forts en utilisant soit la géométrie convergente soit la méthode de désadaptation de
l’impédance. Ces chocs seront utilisés dans le cadre de la fusion inertielle et pour l’étude de la matière en conditions
extrêmes.
La thèse comporte un volet expérimental et le volet de l’interprétation des données avec les simulations numériques. Le
doctorant contribuera à préparer, participera et interprètera plusieurs campagnes expérimentales sur les lasers de puissance
en France et à l’étranger. En particulier, il contribuera au design et la préparation des futures expériences sur la nouvelle
installation LMJ/PETAL à Bordeaux.
La thèse se déroulera au laboratoire CELIA (unité mixte de recherche UBX, CEA, CNRS) sous la direction de Prof. D. Batani
et en collaboration étroite avec l’équipe théorique qui possède des codes numériques hydrodynamiques et cinétiques. La
première partie de la thèse comprendra la réalisation des expériences sur les grandes installations lasers européennes ou
japonaises (PALS à Prague, Phelix à Darmstadt et Gekko à Osaka). La deuxième partie de la thèse comprendra l’analyse et
l’interprétation des données expérimentales en collaboration avec le groupe numérique et théorique. La dernière partie
portera sur l’étude de faisabilité des expériences académiques sur l’installation LMJ/PETAL.
Le candidat devra avoir suivi une formation en physique des plasmas, et des connaissances en expériences avec lasers
sont souhaitées. Il intégrera le groupe expérimental du CELIA travaillant sur l'interaction laser-matière.
Directeur de thèse et école doctorale : D. Batani (Pr. HDR), E. Lebel (ingénieur du CEA) ; École doctorale des Sciences
Physiques et de l'Ingénieur, Université de Bordeaux
Contact : [email protected] CELIA/Université de Bordeaux
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Optique et lasers
Implantation des plaques laser
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Optique et lasers
Sujet :
Optiques multicouches pour les diagnostics dans le domaine des rayons X sur le Laser Mégajoule
Contexte :
Le sujet de thèse proposé s’inscrit dans le cadre des études expérimentales nécessaires pour caractériser la combustion
d’un micro ballon rempli d’un mélange de Deutérium Tritium implosé par le Laser Mégajoule (LMJ) au CEA/CESTA près de
Bordeaux. Le travail sera réalisé dans un laboratoire du CEA/DAM Ile de France en charge de la conception des diagnostics
X et de leur métrologie. L’étude porte sur la réalisation d’optiques à sélectivité spectrale dans la gamme des rayons X. Ces
optiques de hautes performances (miroirs interférentiels) seront développées pour des besoins de spectroscopie et
d’imagerie X. Le travail se fera en étroite collaboration avec un laboratoire qui possède une compétence reconnue
internationalement dans le domaine des couches minces.
L’étude porte sur l’amélioration des performances des diagnostics qui vont être installés sur le laser Mégajoule, en particulier
sur la spectrométrie large bande. Un objectif de cette thèse est d’améliorer la précision de la mesure en utilisant des
optiques X innovantes avec de nouveaux traitements multicouches. L’objectif est de mieux définir les bandes passantes des
différentes voies du diagnostic, et d’étendre la plage de mesure en dessous de 2 keV. Cette amélioration bénéficiera de
l’étude de matériaux performants, comme le platine. On regardera l’intérêt de ces dépôts sur l’amélioration de la qualité
optique de nos imageurs X et l’extension de leur domaine spectral d'utilisation.
Le travail proposé comporte la conception de revêtements multicouches à l’aide de logiciel de simulation, le suivi de
l’optimisation des dépôts de multicouches, le transfert sur les optiques finales des diagnostics (spectromètre et imageur). Le
doctorant participera au suivi de la réalisation sur les dépôts multicouches et à leurs caractérisations faisant appel à des
équipements de réflectométrie X rasants ou auprès du synchrotron SOLEIL (plateau de Saclay) pour la détermination des
propriétés réflectives des miroirs. Enfin le doctorant participera à l’intégration des optiques et à leur interfaçage dans le
diagnostic pour une campagne de mesures d’expériences d’interaction plasma laser sur une installation de laser de
puissance comme le LMJ. Le doctorant sera en relation avec un laboratoire pour la réalisation des dépôts de multicouches.
Le doctorant doit avoir le goût des contacts humains (collaborations), des compétences en optique classique et en physique
des matériaux.
Déroulement de la thèse : Le plan de la thèse va être le suivant :
Phase 1 : Bibliographie, conception de nouvelles optiques X, état de l’art sur les diagnostics X, optimisation numérique sur
des codes existants (8 mois).
Phase 2 : Etude théorique et fabrication des premiers témoins tests, mise au point de la métrologie associée. Conception et
cahier des charges sur l’intégration d’une nouvelle voie de mesure dans le diagnostic (8 mois).
Phase 3 : Etude et dépôt de multicouches sur les substrats des miroirs du spectromètre et d’un imageur du LMJ,
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.
Contact : Philippe Troussel – CEA/DAM Ile de France – 01.69.26.40.00
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Optique et lasers
Sujet :
Etude des défauts dans les traitements multicouches utilisés en régime sub-picoseconde (sub-ps)
Contexte :
Le développement et la mise en service d’installations laser petawatt (PW) et multi-PW dans le monde nécessite des
traitements multicouches capables de soutenir des fluences toujours plus élevées et ceci sur des composants optiques de
taille métrique. L’endommagement laser intrinsèque des matériaux diélectriques en régime sub-picoseconde (ps) est un
phénomène déterministe gouverné par le gap électronique de ceux-ci. Néanmoins, les récents résultats d'endommagements
laser en régime sub-ps sur de grandes surfaces montrent que la tenue au flux laser des traitements multicouches (miroirs)
peut être limitée par les défauts locaux de ces traitements (nodules en particulier). Ce phénomène intervient à des fluences
inférieures à celles de l’endommagement intrinsèque des matériaux et limite d’autant la tenue au flux du composant optique.
Cette thèse s’inscrit dans ce contexte et vise à mieux comprendre et limiter l’impact de ces défauts locaux en jouant sur le
procédé de fabrication.
Les miroirs multi diélectriques sont réalisés par des procédés d’évaporation ou de pulvérisation sous vide. Une voie
d'amélioration des performances de ces traitements consiste donc à minimiser la densité de défauts ou à générer des
défauts "inoffensifs" en utilisant le procédé de dépôt le plus adéquat et en optimisant ses paramètres. Ce sujet a déjà fait
l'objet de nombreuses études dans le domaine nanoseconde, il s’agira de les extrapoler et étendre au domaine sub-ps.
L'étude des défauts portera sur leur nature et leur origine en fonction des procédés de dépôts, des matériaux et des types de
bâtis utilisés. Les conséquences sur la tenue au flux laser seront évaluées. Des procédés de stabilisation de ces défauts
pourront également être évalués.
Le sujet comprendra une partie théorique sur l'interaction laser/défaut/couches minces et une partie expérimentale
comprenant la réalisation des dépôts de couches minces (évaporation avec assistance ionique, pulvérisation par faisceau
d’ions) et leur caractérisation (optique, matériau). Les parties modélisation des dépôts, et interaction laser/défaut, les
caractérisations optiques ou électroniques seront conduites au CEA/CESTA ou dans son environnement proche (logiciels
Comsol et Optilayer, banc d’endommagement laser sub-ps, moyens de caractérisation MEB, AFM de l’université de
Bordeaux…). Les dépôts seront réalisés à l'Institut Fresnel à Marseille. L'étudiant sera basé au CEA/CESTA et effectuera de
longs séjours dans l'unité réalisant les dépôts afin d'être le plus efficace possible lors des créneaux de mises à disposition
des différents bâtis de dépôt.
Directeur de thèse et école doctorale : Université Aix Marseille
Contact : Eric Lavastre, CEA/CESTA, 05 57 04 40 00, [email protected]
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Optique et lasers
Sujet :
Étude des propriétés statistiques d’une tache focale laser lissée et de leur influence sur l’interaction
laser-plasma
Contexte :
Idéalement, la tache focale des lasers de puissance nanoseconde, comme le Laser MégaJoule (LMJ), devrait être
parfaitement homogène. En pratique, c’est impossible à obtenir et elle est composée d’une figure de tavelure comportant de
nombreux points chauds et froids. Pour donner l’illusion d’homogénéité, on déplace légèrement mais très rapidement la
tache focale. Cette technique, nommée lissage, consiste à élargir le spectre des impulsions par une modulation de la phase
et à focaliser les différentes composantes du spectre ainsi générées en différents endroits par un élément dispersif comme
un réseau.
Jusqu’ici le principal critère communément utilisé pour caractériser la qualité du lissage était le contraste asymptotique,
c’est-à-dire, le contraste spatial résiduel de la tache focale au bout d’un temps relativement long (quelques dizaines de
picosecondes). Il s’avère que ce critère est insuffisant pour pouvoir comparer différentes techniques de lissage entre elles et
ainsi faire des choix en fonction des expériences à réaliser. De nouvelles observables du champ optique, qui doivent mieux
caractériser la qualité du lissage, ont donc été définies et d’autres encore pourraient l’être. L’objectif de cette thèse est
double : calculer ces observables pour différentes méthodes de lissage réalisables sur le LMJ et évaluer leur pertinence visà-vis de l’interaction laser-plasma.
Avant le début de la thèse, certaines observables auront préalablement été calculées dans le cas d’un quadruplet de
faisceaux, c’est-à-dire dans le cas de quatre faisceaux proches angulairement les uns des autres et ayant certaines
similitudes.
Le premier objectif de la thèse sera de calculer les observables dans le cas de nombreux faisceaux présentant des angles
importants entre eux, comme c’est le cas sur le LMJ. Cela nécessitera l’emploi d’un code permettant de calculer de tels
champs optiques et il faudra développer des outils informatiques pour caractériser les propriétés statistiques de ces champs.
Pour atteindre le second objectif, des calculs de propagation dans différents plasmas seront menés, à l'aide du code paraxial
3D HERA de la DIF, avec des champs optiques présentant des caractéristiques différentes. La pertinence des observables
définies sera évaluée, en vérifiant entre autres, si deux lissages différents mais partageant les mêmes valeurs des
observables aboutissent à des propagations semblables dans le plasma. Les résultats attendus constituent un enjeu majeur
des études d’atteinte de l’ignition avec le LMJ car ils sont directement liés à des échanges d'énergie entre faisceaux et donc
à la symétrie de l'irradiation laser de la cible.
Cette thèse se déroulera principalement au CELIA à Talence (33).
Directeur de thèse et école doctorale : E. D’Humières, Université de Bordeaux
Contact : D. Penninckx, [email protected], 05 57 04 40 00
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Optique et lasers
Sujet :
Etude d’un amplificateur laser 1J à 10Hz émettant à 1053 nm en régime picoseconde
Contexte :
Les installations laser haute énergie en service dans le monde (NIF, LMJ, PETAL) utilisent des lasers dont la cadence est
limitée à typiquement un tir toutes les quelques heures, soit 10-4 Hz. Les verres laser dopé au néodyme qui constituent les
milieux amplificateurs sont de par leur faible conductivité thermique l’élément limitant. L’augmentation de la cadence répond
à des besoins qui concernent l’amélioration de l’exploitabilité des chaînes laser existantes : phases d’alignement et de
réglage. D’un point de vue conception, cela prépare aux évolutions d’installations de nouvelle génération correspondant à
une demande alliant haute énergie et récurrence. Il est aujourd’hui envisageable d’améliorer les premiers étages
d’amplification des chaînes laser de haute énergie : le module préamplificateur. Cet étage délivrant des énergies de l’ordre
du joule est aujourd'hui limité à 1 tir toutes les 5 minutes. Le matériau amplificateur, un verre phosphate dopé au néodyme,
utilisé sur les chaînes laser de puissance impose une longueur d’onde centrée à 1053 nm. Il existe des solutions proches en
termes d’énergie comme de puissance moyenne mais à une longueur d’onde 1064 nm (Nd:YAG) où à 1030 nm (Yb:YAG).
De plus, elles présentent rarement des qualités spatio-temporelles répondant aux exigences des lasers les plus puissants.
Pour le besoin spécifique des lasers à impulsion courte comme PETAL, une contrainte supplémentaire provient du fait que le
milieu amplificateur doit pouvoir amplifier des largeurs spectrales de l’ordre de 8 nm. Ces contraintes fortes nous amènent à
développer de nouveaux matériaux laser et de nouvelles architectures. Les premières synthèses de ces matériaux ont
débuté dans le cadre d’une collaboration avec le laboratoire CIMAP à Caen. Le matériau retenu est un cristal de fluorure de
calcium dopé au néodyme.
L’objectif de la thèse est de mettre en œuvre ce nouveau matériau laser dans des architectures laser opérant dans la
gamme du joule et de démontrer que des cadences élevées (10Hz) peuvent être obtenues en régime picoseconde.
La première étape concerne l’étude et le dimensionnement d’amplificateurs en intégrant les propriétés spectroscopiques des
nouveaux matériaux. A ce stade, des études de mélanges de milieux amplificateurs peuvent être nécessaires pour obtenir
une largeur spectrale d’amplification de 8 nm. La deuxième étape concerne les réalisations expérimentales d’amplificateurs
en cavité régénérative puis d’amplificateurs à disques minces pompés par diodes laser. Ces réalisations demandent une
maitrise des techniques de pompage par des empilements de diodes dans un régime de hautes puissances moyennes, ainsi
que tous les effets thermomécaniques dans les cristaux ou les céramiques. Une large part du travail sera consacrée à la
validation des résultats expérimentaux à l’aide de codes de calculs couplant les effets laser aux effets thermiques. La
dernière étape concerne la mise en place d’un compresseur afin de qualifier l’impulsion obtenue. Le candidat s’appuiera sur
les connaissances développées dans le domaine des matériaux laser par l’équipe du CIMAP (université de Caen) et par les
équipes du CESTA en termes de réalisations expérimentales et de modélisation.
Directeur de thèse et école doctorale : Patrice Camy, Université de Caen
Contact : Jean-Paul Goossens, CEA/CESTA, 05 57 04 66 40, [email protected]
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Optique et lasers
Sujet :
Elaboration et caractérisation de fibres microstructurées actives à grande aire effective, délivrant un
mode fondamental aplati
Contexte :
Depuis une quinzaine d'années, les lasers à fibre sont en plein essor. Une multitude d'applications dans divers domaines de
la physique, de la biologie et de la santé ont recours à ces lasers. Néanmoins, il est encore nécessaire d’améliorer les
sources afin d'obtenir les caractéristiques recherchées telles que la puissance transportée, la stabilité en répartition spatiale
et en pointé. Afin d'obtenir une source laser amplifiée avec les caractéristiques requises, nous travaillons sur la conception
de fibres optiques microstructurées permettant d'augmenter l'aire effective du mode fondamental tout en éliminant les autres
modes, délétères pour la qualité spatiale et la stabilité du laser. Pour des applications bien spécifiques (laser de puissance
type Laser MégaJoule (LMJ) du CEA, marquage laser, interaction avec des tissus biologiques), nous cherchons à obtenir
une distribution spatiale d'intensité la plus homogène possible en sortie de l'amplificateur fibré.
Des résultats probants ont déjà été obtenus dans l'équipe. Une fibre à mode fondamental aplati a notamment déjà été
réalisée mais avec un diamètre de mode relativement restreint. Le maintien de polarisation est assuré par l'ajout de plots de
contrainte, permettant de lever la dégénérescence entre les deux premiers modes fondamentaux. Partant de ces réalisations
concrètes, la thèse proposée a pour objectif de définir plusieurs designs de fibres optiques permettant dans un premier
temps d'augmenter l'aire effective, tout en conservant un mode fondamental aplati et dans un second temps de doper le
cœur de la fibre par un élément actif (en l’occurrence l'ytterbium) afin d'obtenir un amplificateur laser. A terme, le but visé est
d'obtenir des énergies laser élevées concentrées dans un seul mode avec une répartition spatiale aplatie.
La thèse se déroulera au sein de la centrale technologique FiberTech de l'IRCICA à Villeneuve-d’Ascq pour la réalisation et
la caractérisation des fibres. Le candidat pourra s'appuyer sur les connaissances et compétences de l'Equipe Photonique du
PhLAM (université de Lille, CNRS). Tout au long de la thèse, ces fibres seront mises en œuvre sur des systèmes fibrés de
forte énergie développés au CEA/CESTA à Le Barp (33). Les échanges entre les deux laboratoires sont favorisés grâce à la
création du laboratoire de recherche conventionné SyLFE.
Directeur de thèse et école doctorale : Géraud Bouwmans et Constance Valentin, Université de Lille
Contact : E. Hugonnot, [email protected], 05 57 04 40 00
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Optique et lasers
Sujet :
Développement de nouveaux revêtements antireflets, à base de solutions sol-gel aqueuses, pour le LMJ
Contexte :
Les traitements antireflets des composants optiques du Laser MégaJoule (LMJ) sont actuellement obtenus à partir d’une
solution sol-gel de silice colloïdale dans un solvant alcoolique (éthanol). La mise en œuvre de cette couche (par trempageretrait ou enduction laminaire) est suivie d’un post-traitement dans des vapeurs d’ammoniac (durée de l’ordre de 17h) afin de
conférer au dépôt certaines propriétés de résistance mécanique et de résistance à la contamination organique
environnementale.
L’objectif de cette thèse est de développer des solutions sol-gel en milieu aqueux plutôt qu’en milieu alcoolique. Des travaux
antérieurs [1] ont déjà permis de montrer que les dépôts réalisés avec ces solutions avaient des propriétés mécaniques
équivalentes aux antireflets actuels avant même l’étape durcissement NH3 et grandement améliorées avec un posttraitement NH3 de quelques heures seulement.
Le passage en milieu aqueux présente donc deux intérêts forts : d’une part, l’absence de risque ATEX au niveau des
installations de dépôt et d’autre part une baisse des coûts de fabrication liée à la diminution de la durée de post-traitement
NH3 sans dégradation des spécifications du revêtement et à l’utilisation potentielle de procédés peu consommateurs de
solution (spray-coating).
De plus, notons que le changement de solvant va conduire à un séchage différent des couches. Cela pourrait induire une
diminution des contraintes mécaniques résiduelles présentes dans les couches et donc limiter le phénomène de
« texturation » actuellement observé sur les couches les plus épaisses (AR 1ω). Ce second point devra donc être vérifié au
cours de la thèse. Il doit donc être considéré comme une opportunité supplémentaire liée au passage en milieu aqueux.
Au cours de la thèse, le candidat devra, tout d’abord, travailler sur la chimie des solutions sol-gel afin de les rendre stables
en milieu aqueux et compatibles des techniques de mise en œuvre typiques de ces solutions (trempage-retrait en régime
capillaire et spray-coating). Une attention particulière devra être accordée aux étapes de séchage et de durcissement des
couches. Enfin, le candidat caractérisera optiquement et mécaniquement les revêtements obtenus afin d’identifier les
meilleurs paramètres chimie/procédé permettant de répondre aux spécifications. Pour cela, il s’appuiera sur les moyens de
caractérisation du laboratoire ainsi que sur ceux de laboratoires partenaires.
Directeur de thèse et école doctorale : Philippe BELLEVILLE, Université de Tours
Contact : Bertrand BERTUSSI Tél : 02 47 34 40 00 / [email protected]
Référence :
[1] « Elaboration de sols de silice colloïdale en milieu aqueux ; fonctionnalisation, propriétés optiques et de détection
chimique des revêtements correspondants » X. Le Guevel, Thèse de l’Université François RABELAIS (2006)
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Optique et lasers
Sujet :
Etude de l’impact de microdéfauts sur la propagation d’un faisceau laser de puissance
Contexte :
Les composants optiques d’une grande installation laser de puissance comme le laser MégaJoule (LMJ) peuvent comporter
un certain nombre de défauts (piqûres, rayures, défauts de traitement, endommagements dus au flux laser, pollutions
diverses). Ces défauts perturbent la propagation du faisceau laser et peuvent générer des « points chauds » qui risquent
d’endommager les composants suivants.
L’objectif est d’étudier la propagation laser derrière différents types de défauts et d’établir des critères simples et objectifs
déterminant la criticité d’un défaut donné, permettant ainsi de statuer sur son acceptabilité. Les critères actuels, basés sur
une observation visuelle qui permet de déterminer la taille des défauts, ne sont pas entièrement satisfaisants.
Au sein du Département Laser de Puissance, le Laboratoire de Métrologie Optique (LMO) a développé une installation
prototype, le banc « Epsilon », qui permet à ce jour de mesurer la diffraction induite sur un faisceau laser par différents
défauts.
Le candidat devra prendre en main et utiliser cette installation afin de se familiariser avec les défauts typiques que l’on peut
trouver sur nos composants optiques ; défauts qui diffèrent selon les gammes et moyens utilisés lors de étapes de
fabrications. Autour de l’instrument et en fonction des premières observations, il optimisera la technique actuelle en
proposant des améliorations aussi bien au niveau des traitements mathématiques des données qu’au niveau du contrôle
commande et des moyens d’acquisitions. L’objectif est d’aboutir à terme à un système fiable et efficace pour une
caractérisation « pertinente » des différentes familles de défauts résiduels sur les grands composants laser (typiquement
pour le LMJ > 400mm x 400mm).
En collaboration avec nos équipes de spécialistes en modélisation de la propagation laser, le candidat devra aussi modéliser
les défauts et les classer selon leur comportement. L’installation Epsilon fonctionnant à faible flux, il sera amené à utiliser
des outils logiciels (et en développera si nécessaire), pour extrapoler par modélisation le comportement à haute intensité
induits par ces défauts puisque des phénomènes de propagation non-linéaires apparaissent alors. En s’appuyant également
sur des installations reproduisant ces conditions laser (bancs de tenue au flux laser disponibles au laboratoire) ; le candidat
pourra alors confronter ses résultats numériques à l’expérience en réalisant des essais sur échantillons représentatifs.
Le candidat devra donc mettre en œuvre à la fois des compétences expérimentales, théoriques, de modélisation et de
traitement de données. Il travaillera dans des installations de laboratoire de haute technologie mais sera également
confronté au monde industriel puisque ce travail sera au cœur du processus d’acceptation des composants auprès des
différents fabricants d’optiques fournisseurs du LMJ. L’objectif à terme est de proposer un instrument permettant un
diagnostic simple et rapide chez nos fournisseurs.
Directeur de thèse et école doctorale : Université de Bordeaux
Contact : [email protected] (05 57 04 40 00)
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Physique de la matière
condensée
Simulation a l’échelle atomique d’un système présentant une phase liquide encadrée par une phase gazeuse.
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Sujet :
Etudes d’équations d’état en compression quasi-isentropique
Contexte :
Le comportement à haute pression des métaux de transition de type monoxyde a fait l’objet de nombreuses études. Parmi
ceux-ci, le monoxyde de fer (FeO) présente un intérêt particulier, notamment du fait de son importance en géophysique.
Bien qu’ayant fait l’objet de plusieurs études en cellules enclume diamant ainsi que de nombreux calculs ab-initio, le
diagramme de phase, particulièrement riche du FeO, demeure mal connu. En condition ambiante, FeO possède une
structure cristalline stable de type B1 (type NaCl). Comprimé à température ambiante, il subit une distorsion de symétrie
rhomboédrique autour de 17 GPa, puis se transforme en structure B8 (type NiAs) aux pressions plus élevées. En dehors de
l’intérêt intrinsèque que présente la physique de cette série de transformations structurales et électroniques, FeO présente
également un intérêt considérable pour la géophysique. En effet, l’oxyde de fer est un des principaux composants du
manteau inférieur de la terre, et sa présence sous forme de poches localisées est fortement suggérée à la frontière cœurmanteau, ainsi que dans la composition du cœur lui-même. Par conséquent, une connaissance précise de ses propriétés
physiques, notamment la densité et la vitesse du son, sera particulièrement utile à l’affinement des modèles géophysiques
de l’intérieur de la terre.
Paradoxalement, FeO n’a pratiquement pas été étudié sous chargement par choc. Cela est dû à la complexité de son
diagramme de phase, qui se prête difficilement à des expériences qui, par nature, ne produisent chacune qu’un seul point
dans la surface des états thermodynamiques. En revanche, en complétant les expériences par choc par des expériences de
compression dynamique par rampe, au cours desquelles le matériau suit réellement un parcours thermodynamique continu
proche de l’isentropique, on pourrait optimiser la démarche visant à accéder à la succession de transitions subtiles
intervenant dans le monoxyde de fer, ainsi qu’à des régions inexplorées du diagramme de phase P-T. Ces études
consisteraient d’une part, en des mesures de diffraction X et de spectroscopie d’absorption X en énergie dispersive, sous
choc, et d’autre part des mesures de vitesse du son, voire de densités sous chargement quasi-isentropique.
La démarche suivie pour cette étude sera étendue à d’autres matériaux tels que les oxydes de type ZrO2-Y2O3 ou encore
MgO.
Cette thèse se propose d’explorer le diagramme de phase de plusieurs matériaux (FeO, MgO, ZrO2, Y2O3…) sous
chargement dynamique isentropique et par choc à différents niveaux de pression allant de quelques GPa à plusieurs
dizaines de GPa. Le travail comportera à la fois un volet numérique, qui consistera essentiellement à l’utilisation du code
ABINIT pour l’étude des différents chemins thermodynamiques susceptibles d’être empruntés par le matériau, et un volet
expérimental qui consistera à dimensionner et à réaliser des expériences de compression dynamique sur les installations de
hautes puissances pulsées du CEA/Gramat. En ce qui concerne les expériences de diffraction X sous choc laser, la thèse
sera intégrée aux études actuellement menées à l’ESRF par l’Institut de Minéralogie et de Physique des Milieux Condensés
(IMPMC) de l’Université Pierre et Marie Curie. La direction de cette thèse est assurée conjointement par le LDRX et
l’IMPMC.
Les résultats obtenus apporteront un éclairage nouveau sur le diagramme de phase ainsi que sur la courbe de fusion, et
complèteront les données obtenues en pression statique. Les mesures de vitesse du son permettront de déterminer le rôle
du monoxyde de fer dans les observations sismiques de zones de très faibles vitesses du son à la frontière cœur-manteau,
et fourniront des informations sur la proportion d’alliage oxyde-fer présente dans le cœur de la terre.
La thèse comportera 5 volets dont les 2 premiers (théoriques) et les 2 derniers (expérimentaux) s’effectueront en parallèle.
1.
Bibliographie- état de l’art, analyse des travaux en cours au laboratoire.
2.
Prise en main des codes ABINIT pour les aspects de dynamique moléculaire et des codes ESTHER et UNIDIM
pour les calculs hydrodynamiques.
3.
Instrumentation: optimisation des diagnostics d’interférométrie VISAR et hétérodyne pour les mesures de vitesses
en configuration lagrangienne dans la gamme de pression pertinente.
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4.
Dimensionnement, réalisation et analyse des expériences de compression quasi-isentropiques à différents niveaux
de pression sur des matériaux tels que FeO, MgO, ZrO2 et Y2O3.
5.
Réalisation de mesures de diffraction X sous choc laser à l’aide du rayonnement synchrotron.
Ce travail qui nécessitera un investissement pluridisciplinaire dans les domaines de la science des matériaux, de la
géophysique, des hautes puissances pulsées et de la simulation numérique, impliquera en outre une mobilité périodique
entre le CEA/Gramat et l’Université Pierre et Marie Curie. Il est prévu une participation du doctorant aux campagnes
synchrotron menées par l’IMPMC.
Directeurs de thèse et école doctorale : T. d’Almeida (CEA) / D. Antonangelli - UPMC
Contact : [email protected] - CEA/GRAMAT – 05 65 10 54 32
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Sujet :
Étude de l’endommagement et de la réactivité des matériaux énergétiques soumis à une agression
d’origine mécanique de faible amplitude
Contexte :
La sécurisation des munitions passe par l’étude du comportement des matériaux énergétiques subissant une agression
d’origine mécanique, notamment d’amplitude modérée.
Les travaux développés à l’ISL ces dernières années relativement au contrôle de la formulation des explosifs (hexogène
enrobé dans de la cire notamment) et la caractérisation de l’amorçage de réactions sous sollicitations modérées, permettent
de disposer de données précises et représentatives de ces phénomènes.
Le CEA/Gramat travaille par ailleurs plus généralement sur une approche à l’échelle mésoscopique de la description du
comportement des matériaux granulaires et en particulier celui des matériaux énergétiques. L’analyse microstructurale du
matériau s’avère en effet être un outil privilégié pour étudier localement l’amorçage des réactions afin d’appréhender le
comportement réactif de ces matériaux.
Dans le passé, cette analyse microstructurale a montré que des matériaux endommagés à la suite d’impacts de « faible
amplitude » (impact d’une masse de 2 kg tombant d’une hauteur de 20 cm) avaient subi des décohésions et fracturations
importantes. Des travaux d’analyse de ces données par le biais d’algorithmes développés par le LMT de l’ENS Cachan ont
montré la capacité à extraire des informations sur les déformations des matériaux. Néanmoins une partie des résultats non
exploitée à ce jour laisse envisager une quantification de la décohésion en termes mécaniques.
Sur la base des données issues de l’ISL et des caractérisations mécaniques précédentes, le but des travaux de cette thèse
est de développer des outils numériques permettant d’extraire les paramètres représentatifs de l’endommagement de
matériaux granulaires et de les relier à la plus ou moins grande facilité d’amorçage de ces formulations explosives.
Dans un premier temps, il s’agit d’extraire, à partir de données micro-tomographiques 3D d’essais in situ, les caractéristiques
morphologiques des constituants (grains d’explosif) et de leur dégradation sous faible sollicitation.
L’étape suivante nécessite la construction de maillages adaptés à la géométrie du matériau et à celle de son
endommagement afin de pouvoir simuler son comportement mécanique lors du processus d’endommagement.
La troisième étape est de proposer un mécanisme réactionnel pouvant rendre compte de l’amorçage de réactions chimiques
pour des sollicitations plus importantes (a priori sous l’effet d’échauffements locaux) et de simuler numériquement l’évolution
du matériau.
Ces simulations seront finalement comparées aux résultats expérimentaux de l’ISL pour valider l’approche et la
modélisation.
Directeur de thèse et école doctorale : François Hild – ENS Cachan (ou autre école doctorale ENSMP)
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Sujet :
Simulation de la post combustion turbulente des produits de détonation avec l’oxygène de l’air
Contexte :
De nombreux phènomènes de combustion se font en écoulement turbulent, le mélange oxydant/réducteur pouvant ne pas
être réalisé au préalable (moteurs à explosion, moteurs diesels, turboréacteurs).
Dans un contexte un peu différent, celui de l’utilisation des explosifs, au-delà des réactions se produisant dans l’onde de
détonation, les produits de détonation peuvent, après mélange avec l’oxygène de l’air, continuer à réagir (réactions à
l’origine des boules de feu observées), ces réactions pouvant contribuer jusqu’à plus de la moitié de l’énergie totale
dégagée.
La modélisation de ces derniers phénomènes ne commençant que depuis peu à être abordée, il est proposé, après
appropriations des travaux pertinents déjà réalisés ou en cours de réalisation sur ces questions, de porter une attention
particulière relativement à des questions d’importance restant à mieux étudier et modéliser, notamment à disposer de
cinétiques effectives performantes pour les explosifs (du C-H-O-N en l’occurence), d’évaluer les conséquences d’une
enveloppe métallique relativement épaisse (le corps de bombe) séparant toujours en pratique à l’origine l’explosif de l’air, de
s’intéresser au problème de convergence du calcul relativement à la taille du maillage pouvant être retenue en pratique.
Sur la base et la poursuite des travaux de modélisation / simulation déjà réalisés, les améliorer relativement aux trois points
précédemment cités : proposition de cinétiques effectives, appréhender le rôle et les conséquences de la fragmentation du
confinement initial, dominer la convergence des calculs.
Les différents objectifs précédents pourront être abordés simultanément et indépendamment et, pour chacun d’eux, être
menés plus ou moins loin en fonction des difficultés rencontrées et des temps de développement nécessaires.
Relativement aux cinétiques effectives et compte tenu du type d’explosif (sous-oxygéné) considéré, il conviendra de
déterminer de quel type de cinétique effective nous avons réellement besoin et de progresser dans leur détermination.
Relativement à l’effet du confinement initial, après analyse des conséquences énergétiques immédiates du fait de sa mise
en vitesse et de sa fragmentation, il sera nécessaire de s’interroger sur la façon de prendre en compte ses autres
conséquences (notamment sur la génération de la turbulence) et d’en proposer en conséquence une approche.
Sur les problèmes de convergence inhérents à ce type de simulation, après le bilan de ce qui se fait dans d’autres contextes
(celui des moteurs et des turbines notamment), il conviendra de se poser la question de la possibilité ou non d’étendre ou de
transférer ces approches et de proposer une stratégie à mettre en œuvre en pratique.
Directeur de thèse et école doctorale : IMFT, Toulouse.
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Sujet :
Etude théorique et expérimentale de l’amorçage par choc et de la détonation de compositions
énergétiques intégrant des additifs oxydants et métalliques réactifs
Contexte :
Les explosifs modernes sont composés d’un couple de matières explosives (octogène, hexogène, trinitrotoluène,
oxynitrotriazole), d’additifs métalliques (aluminium) et d’oxydants (perchlorate d’ammonium) pour allier insensibilité et
performances. Leur comportement sous choc et en détonation s’éloigne fortement de celui des explosifs classiques
uniquement composés de matières explosives ; ils sont dits « non idéaux ». Leurs modèles d’amorçage et de détonation
sont empiriques et constitués de plusieurs termes décrivant de façon heuristique l’amorçage des réactions chimiques autour
des défauts présents à l’échelle microscopique, la croissance de ces réactions, puis la combustion des particules
d’aluminium avec les produits issus des réactions précédentes. Ces modèles sont conçus pour reproduire leur amorçage par
choc, leur détonation autonome stationnaire et leurs effets, mais sans une réelle capacité de prédiction. La disponibilité de
modèles théoriques permettrait d’acquérir un aspect prédictif et d’orienter la composition de ces explosifs dès le stade de
leur formulation. Pour établir de tels modèles, il est nécessaire d’accéder à une meilleure compréhension de leurs
mécanismes d’amorçage et de croissance des réactions chimiques.
L’objectif de cette thèse est d’accéder à une meilleure compréhension des mécanismes d’amorçage et de détonation, à
l’échelle microscopique, d’explosifs contenant des particules d’aluminium et du perchlorate d’ammonium via
l’expérimentation, la théorie et la simulation numérique, afin d’apporter des capacités prédictives aux modèles d’amorçage
par choc et de détonation. Elle a pour objectif d’apporter des éléments de réponse à la thématique prioritaire « propergols et
matériaux hautement énergétiques » (Sécurisation de l’amorçage et augmentation des performances) du document de
Politique et Objectifs Scientifiques de la DGA. Elle fait partie intégrante d’un programme d’études au profit de la DGA. Deux
industriels sont intéressés : NEXTER Munitions et HERAKLES.
Une thèse est actuellement en cours pour étudier l’amorçage et la détonation d’explosifs classiques coulés fondus,
uniquement constitués de matières explosives. Les résultats obtenus constitueront le point de départ de ce sujet de thèse.
Des compositions avec des additifs métalliques (aluminium) et oxydant (perchlorate d’ammonium) seront considérés par
ordre de complexité croissante. Une étude bibliographique est à mener afin de disposer d’un état des lieux exhaustif en
termes de modélisation et de diagnostics utilisables dans de tels explosifs. Des expérimentations de choc plan soutenu et de
détonation sont prévues dans le cadre d’une fiche programme au profit de la DGA sur des explosifs d’intérêt. Des
expériences annexes de laboratoire sur des compositions écoles sont à concevoir et à réaliser pour compléter les données
physiques nécessaires à la compréhension des mécanismes d’amorçage. Les résultats expérimentaux obtenus seront
analysés via des méthodes d’inversion mathématique des équations d’Euler multi-fluides réactives et feront l’objet d’une
modélisation prenant en compte les paramètres de formulation : taille des grains de matière active et des additifs, leurs
propriétés physiques, leurs taux de chargement. L’idée est d’isoler les rôles respectifs des divers constituants et d’en
dégager une thermocinétique permettant, à terme, de prévoir la sensibilité au choc et les caractéristiques de détonation.
Divers moyens expérimentaux récents (radio – interférométrie, spectrométrie UV – visible résolue, spectrométrie infrarouge,
fibres de Bragg) seront mis en œuvre dans les expérimentations. Des codes de calcul (thermochimique, thermocinétique et
d’hydrodynamique rapide) seront utilisés pour dimensionner les expériences et pour y introduire les modèles développés. La
mise à disposition de moyens et de savoir-faire d’autres laboratoires est également possible via des conventions.
Directeurs de thèse et école doctorale : Gérard Baudin (CEA) et Laurent Catoire, ParisTech ENSTA
Contact : gé[email protected] – CEA/GRAMAT – 05 65 10 54 32 – Laurent Catoire (ENSTA, tél. 01 81 87 20 24)
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Sujet :
Effets des corrélations électroniques et du couplage spin-orbite le long de la série des oxydes d'actinides
Contexte :
La série des actinides montre une grande richesse de comportements électroniques et structuraux. Cette série peut être
schématiquement coupée en deux avec, d'une part, les actinides légers 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). De leur côté, les oxydes présentent eux aussi un comportement directement relié aux corrélations
électroniques : lorsque celles-ci sont prononcées ces matériaux sont qualifiés d'"isolants de Mott", et dans le cas contraire on
les nomme "isolants à transfert de charge". Pour tous ces matériaux, les propriétés magnétiques qui en découlent sont alors
d'une incroyable richesse : certains présentent un comportement non-magnétique, paramagnétique, d'autres un état
fondamental anti-ferromagnétique (1k ou 3k)...
Nous disposons aujourd'hui d'un code de calcul de structure électronique ABINIT capable (i) de décrire correctement l'effet
des corrélations électroniques (par l'intermédiaire d'un terme de Hubbard) mais aussi (ii) de tenir compte de l'effet du
couplage spin-orbite. Ce code ab initio est aussi conçu pour profiter efficacement des capacités des supercalculateurs (Curie
et TERA-100) disponibles sur notre centre de recherche.
Dans le cadre de cette thèse, nous proposons d'étudier l'influence du couplage spin-orbite le long de la série des dioxydes
d’actinides.
Au moyen de calculs ab initio, le candidat s'intéressera en particulier à décrire les effets induits par la prise en compte du
spin-orbite sur le magnétisme de l'état fondamental. Dans le même temps une étude systématique sera à envisager pour
déterminer l'influence conjointe des corrélations électroniques et du couplage spin-orbite sur les propriétés structurales et
électroniques des oxydes d'actinides massifs.
Directeur de thèse et école doctorale : François Jollet.
Ecole Doctorale - ED 397 – Physique et Chimie des Matériaux – Paris VI
Contact : François Bottin, Grégory Geneste et Boris Dorado – Tél. : 01 69 26 40 00
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Sujet :
Calcul ab initio de spectres de phonons en température et équation d'état
Contexte :
Établir les propriétés d'un matériau, et cela quelles que soient les températures et pressions, est un des plus grands enjeux
de la physique moderne. En effet, de nombreuses données thermodynamiques sont attendues et requises par les industries
de pointe. Celles-ci, rassemblées au sein d'une «équation d'état», sont parfois inaccessibles expérimentalement et des
développements théoriques et numériques importants s'avèrent nécessaires pour les obtenir. En revenant aux premiers
principes de la physique, c'est-à-dire en se plaçant dans le cadre des calculs dits ab initio, il est possible de réaliser des
simulations numériques sans aucun paramètre ajustable ; i.e. d'obtenir ces grandeurs même si aucune expérience n'a été
réalisée dans ces conditions thermodynamiques.
L'une des briques de base de ces «équations d'état» est le spectre de phonons (vibrations du réseau). Celui-ci révèle le
comportement du matériau en température. Jusqu'à présent, la plupart des études scientifiques considéraient que ce spectre
en température pouvait être obtenu à partir de celui calculé à température nulle. Si cette approximation est justifiée dans
certains cas, elle ne l'est pas dans d'autres ; en particulier lorsque le matériau présente d'importants effets dits
anharmoniques.
Par une méthode de dynamique moléculaire ab initio ce spectre de phonons peut aujourd'hui être obtenu en température.
Ces études, coûteuses en ressources de calcul, peuvent aujourd'hui être réalisées, à la fois en raison des avancées
théoriques mais aussi grâce aux efforts de développement des outils numériques. En particulier, nous disposons aujourd'hui
d'un code de calcul de structure électronique ABINIT capable de profiter efficacement des capacités des supercalculateurs
(Curie et TERA-100) disponibles sur notre centre de recherche.
Obtenir les spectres de phonons en température et construire les équations d'état de plusieurs matériaux (Fe, Ti, U...).
Au moyen de calculs de dynamique moléculaire ab initio, le candidat s'intéressera en particulier à décrire les spectres de
phonons obtenus pour ces matériaux, puis à caractériser les transitions de phases présentes en température et pression. Il
s'agira aussi de mettre en évidence les effets anharmoniques présents dans ces matériaux et d'évaluer l'effet que ceux-ci
ont sur leur équation d'état.
Directeur de thèse et école doctorale : François Jollet.
Ecole Doctorale - ED 397 – Physique et Chimie des Matériaux – Paris VI
Contact : François Bottin et Johann Bouchet – tél. 01 69 26 40 00
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Physique nucléaire
Surface d’énergie potentielle du 278Cf en fonction des déformations
quadripolaires Q20 et octupolaires Q30. Les deux vallées asymétriques sont
indiquées par les flèches rouges.
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Physique nucléaire
Sujet :
Moments magnétiques des états isomères produits par fission
Contexte :
L’étude récente des noyaux exotiques à l’approche de la limite d’existence de la matière nucléaire a révélé une riche variété
de phénomènes nouveaux. Ces comportements ont permis d’améliorer la compréhension de l’évolution du noyau atomique
dans des conditions extrêmes d’isospin. La mesure expérimentale des propriétés à l’extrême limite d’existence de la matière
nucléaire permettra de tester notre compréhension du noyau atomique dans une région très éloignée de celle où les
différents modèles nucléaires existants ont été élaborés. La structure nucléaire est étudiée via plusieurs paramètres tels que
la masse du système, l’énergie des premiers états excités, les probabilités de transition entre états, etc… En ce qui nous
concerne, nous sommes plus particulièrement intéressés par les moments nucléaires.
Dans certains isotopes des changements de structure nucléaire se manifestent par l’apparition d’états isomères. La mesure
des moments magnétiques des états nucléaires apporte des informations pertinentes sur la composition de la fonction
d’onde du niveau étudié. Dans le but d’aller étudier des isotopes riches en neutrons nous avons l’intention de réaliser ces
mesures sur les états isomères produits par fission.
L’objectif de ce travail est d’apporter des informations permettant d’améliorer notre compréhension de la structure nucléaire
des isotopes issus de la fission d’actinides et de contraindre les modèles nucléaires dans le but d’être prédictif.
Le sujet de thèse proposé concerne la mesure des moments magnétiques des états isomères produits par fission. La
structure nucléaire de ces noyaux peut être plus aisément comprises par l’étude des propriétés des états isomères, ceux-ci
étant des états généralement de grandes puretés plus facilement interprétables par la théorie. Il sera ainsi étudié la structure
en couches des noyaux approchant la limite d’existence nucléaire par le biais d’états isomères en mesurant les moments
magnétiques de ces états. La mise en œuvre du dispositif expérimental, l’acquisition et l’analyse des données ainsi que
l’interprétation des résultats obtenus avec des calculs seront demandées.
Au cours de la thèse l’étudiant participera à plusieurs expériences dédiées aux mesures de moments nucléaires auprès
d’accélérateurs (Bruyères-le-Châtel, Orsay, GANIL, ILL, RIKEN). Le système de détection utilisé permettant la mesure des
moments statiques a été élaboré lors des expériences précédentes et nécessitera des améliorations. Le doctorant
participera activement aux tests du dispositif et à la prise de données. Il analysera ensuite les données recueillies.
L’interprétation des résultats sera réalisée à l’aide de modèles microscopiques développés au sein du DPTA/SPN, en
collaboration avec le laboratoire N-Corps et Evaluations. Les travaux seront présentés par le doctorant dans des
conférences et des revues internationales. Le doctorant s’investira dans la réflexion et la proposition d’autres expériences
concernant cette étude.
Directeur de thèse et école doctorale : à définir
Contact : Jean-Michel.Daugas ([email protected])
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Chimie et science des
matériaux
Tests électrochimiques sur accumulateurs de type pile bouton
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Sujet :
Transfert d’étalonnage par LIBS – application à la quantification d’impuretés dans les matériaux
nucléaires métalliques solides
Contexte :
Dans le cadre de la fabrication et du contrôle de la qualité de matériaux nucléaires, des analyses physico-chimiques sont
pratiquées hors ligne, sur échantillons solides, ce qui peut accroître les délais de rendu de résultats. Le CEA, Centre de
Valduc, cherche à optimiser la productivité par un pré-contrôle rapide de la composition des pièces, directement au plus près
des lignes de production. La solution envisagée est d’utiliser la spectrométrie de plasma induit par laser (Laser Induced
Breakdown Spectroscopy : LIBS). La LIBS est une technique d’analyse multi-élémentaire, directe, rapide, très bien adaptée
aux environnements contraignants et qui ne nécessite pas ou peu de préparation de l’échantillon.
Son principe est relativement simple : un plasma est créé par ablation laser à la surface du matériau solide à analyser, et la
lumière émise par ce plasma est analysée par spectroscopie optique, ce qui permet de déterminer qualitativement et/ou
quantitativement la composition de l’échantillon. Le choix a été fait de travailler dans le domaine du Vacuum Ultra-Violet
(VUV) : il s’agit du domaine de longueurs d’ondes ultraviolet sous vide, entre 90 et 200 nm, où la densité de raies des
matériaux nucléaires est plus faible. Cette approche est novatrice et très peu développée en LIBS.
Les travaux précédemment réalisés, notamment dans le cadre d’une thèse entre 2012 et 2015, ont essentiellement porté sur
la réalisation du montage expérimental, la caractérisation de l’ablation laser, la détermination de matériaux de substitution de
l’uranium et du plutonium, et l’analyse de matériaux pour l’étude du transfert d’étalonnage. Ces travaux ont montré la
faisabilité de la quantification d’éléments d’intérêt dans ces matrices avec des performances compatibles avec les besoins
exprimés. Plusieurs questions restent néanmoins en suspens :
-
L’efficacité d’ablation est un paramètre clé de la mesure LIBS car elle conditionne la masse de matière entrant dans le
plasma. Une corrélation a été mise en évidence expérimentalement entre l’efficacité d’ablation des métaux et certaines
de leurs propriétés optiques et thermo-physiques. Ce modèle prédictif empirique nécessiterait d’être approfondi par la
voie de la modélisation, afin de mieux comprendre cette corrélation et de l’améliorer.
-
L’intérêt du domaine VUV doit être validé sur des échantillons d’uranium et de plutonium. Ce point est capital à double
titre. Premièrement, si la mesure sous vide ne permet pas de s’affranchir des interférences spectrales avec l’U ou le
Pu, il est possible de revenir à une configuration LIBS classique, afin d’optimiser les performances analytiques sur
chaque élément. Deuxièmement, il permettra d’évaluer les contraintes pratiques de mise en œuvre de la technique
LIBS pour l’analyse de matrices nucléaires, afin de préparer une future implantation en boîte à gants au CEA/Valduc.
-
Le développement analytique réalisé sur des matériaux simulants doit être validé sur les matériaux d’intérêt. Pour cela
une démarche de transfert d’étalonnage d’une matrice à une autre, basée sur la mesure de l’efficacité d’ablation des
matériaux, a été initiée et doit être poursuivie, notamment par la prise en compte de l’inhomogénéité spatiale du
plasma par le dispositif de détection.
-
Le montage expérimental d’ablation laser a été caractérisé avec précision, mais le dispositif de collecte de l’émission
du plasma nécessite d’être optimisé et la reproductibilité des performances analytiques obtenues doit également être
déterminée.
En exploitant le dispositif expérimental développé au CEA, centre de Saclay, l’objectif majeur de cette thèse sera donc
d’établir la méthodologie d’analyse quantitative par LIBS d’éléments mineurs et traces dans des matériaux
nucléaires métalliques.
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Pour atteindre cet objectif, et sur la base du travail réalisé lors des études précédentes, le(la) doctorant(e) procédera en
plusieurs étapes :
1.
Etude bibliographique
Réalisation des études bibliographiques sur l’analyse des matériaux solides par LIBS, et tout particulièrement dans le cas
des actinides.
2.
Optimisation, caractérisation et suivi du montage expérimental
Les spectres VUV de matériaux purs obtenus lors de la précédente étude [1] montrent que le dispositif expérimental
fonctionne mais qu’il doit être optimisé, notamment afin d’augmenter le rapport signal sur bruit et la sensibilité de la mesure.
L’intérêt du domaine VUV devra être validé par une étude d’interférences sur uranium appauvri. Selon les résultats, le
montage expérimental sera adapté et optimisé, notamment le système de collecte de l’émission du plasma. Puis le
développement analytique entrepris sur des matériaux simulant les matrices nucléaires devra être poursuivi. Le(la)
doctorant(e) qualifiera le dispositif pour l’analyse des éléments d’intérêt, notamment par le choix des raies d’émission, l’étude
des interférences spectrales, l’étude des diverses méthodes d’étalonnage possibles, la détermination des limites de
détection, la reproductibilité et répétabilité de la méthode de mesure retenue, et déterminera les incertitudes de mesure.
3.
Etude du transfert d’étalonnage d’une matrice métallique à une autre
Le(la) doctorant(e) complétera les expériences préliminaires entreprises pour l’étude du transfert d’étalonnage d’une matrice
à une autre, par des essais sur différents matériaux métalliques, dont ceux simulant l’uranium et le plutonium du point de vue
de l’ablation laser. Certaines hypothèses pourront être vérifiées dans le but d’améliorer cette méthodologie (intégration
spatiale de la collecte d’émission du plasma, ou mise en place d’un système de détection spatialement résolu pour collecter
l’émission d’une zone définie du plasma). De même, on peut s’appuyer sur la dimension temporelle de l’émission du plasma
pour optimiser le transfert d’étalonnage. Le développement d’approches multivariées pourrait également être envisagé.
4.
Validation du développement analytique sur matériau nucléaire
Il sera nécessaire d’appliquer ce développement analytique à des échantillons de matière nucléaire, uranium appauvri par
exemple. Les échantillons d’uranium appauvri, contenant des impuretés en quantités variables et connues par ailleurs,
seront élaborés par le CEA, Centre de Valduc, et analysés sur le Centre de Saclay.
5.
Préparation de l’implantation du montage expérimental au CEA/Valduc
Selon les résultats obtenus dans les phases précédentes, le(la) doctorant(e) effectuera les études techniques préalables à
l’intégration du dispositif en boîte à gants. Il(elle) apportera son soutien et participera, en collaboration avec un ingénieur
R&D du Centre de Valduc, à la préparation de la nucléarisation du dispositif expérimental, pour envisager la poursuite des
études sur plutonium à Valduc.
Directeur de thèse et école doctorale : Olivier Musset, Université de Bourgogne, Ecole Doctorale ED 553 Carnot-Pasteur
Contact : CEA/Valduc : Danièle CARDONA, tel. 03 80 23 40 00 – [email protected]
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Sujet :
Mécanismes radiolytiques de production et recombinaison d’hydrogène dans un système eau tritiée
adsorbée sur zéolithes
Contexte :
La réduction de l’impact environnemental liée à l’exploitation des installations nucléaires mettant en œuvre du tritium (CEA,
ITER…) nécessite des opérations d’épuration de l’atmosphère des enceintes de confinement par des systèmes de
détritiation qui conduisent à la formation d’eau tritiée dite de faible activité volumique. Etant donné les contraintes
opérationnelles d’un entreposage de décroissance sous forme liquide, le Département Tritium du CEA/Valduc a développé
un procédé d’adsorption de l’eau faiblement tritiée sur un matériau de type aluminosilicate (zéolithe 4A). Après l’étape
d’adsorption, la zéolithe hydratée est conditionnée en conteneurs EPICEA (Entreposage Par Immobilisation
Conditionnement Eau Adsorbée). Les données disponibles à ce jour, au travers de la thèse de Madame Laëtitia FRANCES
et de résultats expérimentaux associés aux opérations de surveillance des conteneurs EPICEA entreposés, confortent l’idée
d’un comportement sur le long terme très satisfaisant.
La maitrise et l’optimisation des conditions d’entreposage, sur le long terme, nécessitent d’accroitre la compréhension des
mécanismes de l’auto-radiolyse de l’eau tritiée confinée dans les zéolithes 4A dont le comportement présente de réelles
différences par rapport à la radiolyse de l’eau libre.
Le résultat majeur issu de la thèse de Madame Laëtitia FRANCES est la mise en évidence d’une action catalytique des
zéolithes qui se traduit par, dans un premier temps une augmentation du rendement radiolytique de production du
dihydrogène et éventuellement du dioxygène. Puis, dans un second temps, elles sont capables de favoriser la
recombinaison de ces produits de radiolyse, lorsqu'elles sont partiellement hydratées. Cet effet catalytique, qui est en
corrélation forte avec la quantité d'eau introduite dans la structure complexe de la zéolithe 4A, montre que le rôle de
l’interaction entre l'eau et le matériau est manifeste, si l'on considère que l'eau va graduellement se trouver sous trois formes
distinctes : eau dans les cages β, puis eau adsorbée dans les cages α et enfin, eau de remplissage (bulk like water).
L’objectif premier de la thèse est de proposer les mécanismes radiolytiques et catalytiques de la production et de la
recombinaison d’hydrogène dans un système constitué par de l’eau tritiée adsorbée sur zéolithes. Ce travail théorique
conduira également à la proposition et à la réalisation d’essais complémentaires, a priori, en utilisant les moyens
expérimentaux existants, permettant l’acquisition des données expérimentales nécessaire à la validation des schémas
réactionnels proposés.
A terme, l’approche « mécanistique » permettra de disposer d’un outil de simulation, validé expérimentalement dans des
conditions représentatives, permettant de garantir la maitrise et l’optimisation des conditions d’entreposage de l’eau tritiée en
conteneur EPICEA sur le long terme.
Ce projet de thèse, à dominante théorique, comprendra également une composante expérimentale dont une partie en
environnement nucléaire.
Un travail important de modélisation sera à mener afin de définir la ou les réactions primordiales, parmi toutes celles
connues de la radiolyse de l'eau confinée conduisant à la formation puis à la disparition du dihydrogène en phase gazeuse.
Les méthodes quantiques sont propres à donner des renseignements de nature thermodynamique pour éclaircir les chemins
de réaction possibles, et devront être accompagnées de calculs de Monte Carlos Grand Canonique. De plus, les différents
outils disponibles en simulation numérique constituent également des sources d’informations car ils permettent de suivre la
formation et la réactivité d’espèces radiolytiques ayant des temps de vie très courts et localisées au voisinage des interfaces
zéolithes-eau. Ce type d’information étant difficilement accessible expérimentalement, en particulier en situation
d’entreposage.
Une approche expérimentale sera également à développer afin de comprendre le rôle joué par les sites d'adsorption lors de
la mise en route de la recombinaison supposée et de sa cinétique. Ces travaux devront également être à même de répondre
à la question de l'influence de la présence de rayonnement ou non sur le processus. L’extension du suivi de l’autoradiolyse
de l’eau tritiée à d’autres activités volumiques et à d’autres taux de chargement, permettra d’approfondir la compréhension
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de la recombinaison totale et spontanée entre le dihydrogène et le dioxygène. Plusieurs types de moyens expérimentaux
pourront être mis à profit :
-
Des expériences d'irradiations externes de systèmes préparés en composition gazeuse choisie. En effet, le
ralentissement de la production de H2 notée lors d'irradiations longues aux rayonnements gamma, permettent de
penser que la démarche par irradiations externes est bien adaptée et, de plus, relativement souple pour vérifier les
mécanismes supposés.
-
Des expériences en milieu radioactif, déjà mises en place, qui nécessitent un suivi à moyen et long terme. Il est en
outre important de mailler de manière plus fine les taux de chargement en eau, afin de cerner au mieux les points
particuliers que sont les remplissages à 5 % et à 13 %, qui caractérisent la fin de remplissage des cages β et la
couverture totale des sites dans les cages α, respectivement.
-
De nouvelles méthodes d’études expérimentales en compléments de celles décrites ci-dessus pourraient être
proposées en fonction du besoin.
Enfin, seules les zéolithes 4A ont été étudiées, mais rien n'indique actuellement qu'elles soient les meilleures candidates
pour les conditions d’un entreposage de longue durée. Ainsi, une étude comparative de zéolithes 3A, 4A et 5A permettrait
d’identifier de manière plus fine les sites catalytiques impliqués lors de la radiolyse de l’eau ou de la recombinaison de H2 et
O2. En effet, ces zéolithes, différenciées par la nature et la localisation de leurs cations compensateurs de charges,
possèdent des sites catalytiques potentiels similaires, et d’autres sites qui leurs sont propres. Eventuellement, la
compréhension des mécanismes réactionnels pourrait induire le développement d’une zéolithe spécifique adaptée à
l’entreposage longue durée de l’eau tritiée.
Manul Grivet – Jean-Emmanuel Groetz
Laboratoire Chrono-environnement UMR CNRS 6249 - Université de Franche-Comté
Ecole Doctorale Carnot-Pasteur
Collaborations potentielles :
-
Jean-Philippe Renault (Laboratoire de radiolyse du CEA/Saclay)
-
Jean-Pierre Bellat (Adsorption sur Solides Microporeux – Université de Bourgogne)
Contact : CEA/Valduc : Didier Ducret – tel. 03 80 23 40 00 – [email protected]
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Sujet :
Etude des mécanismes de formation des carbures obtenus par cémentation basse pression d’un alliage
de tantale, application à la pyrochimie
Contexte :
Le CEA centre de Valduc conduit un programme de recherche portant sur l’étude, la caractérisation et la maîtrise de la
formation de carbures lors de la cémentation basse pression de tantale ou d’alliages de tantale. Les matériaux obtenus
doivent être mis en œuvre dans la fabrication de pièces utilisés lors des opérations de recyclage d’actinides par voie
pyrochimique (haute température ~ 800-1000°C et en milieu sel de chlorures fondu).
L’utilisation de pièces en tantale carburé doit permettre de limiter le volume des déchets radioactifs générés lors des
opérations de recyclage d’actinides conduit au laboratoire, de limiter les pertes et d’avoir une solution alternative à
l’utilisation de creusets en céramique difficiles à fabriquer et coûteux à approvisionner. Il pourrait également être possible
d’utiliser ce matériau pour la réalisation d’électrodes.
Une série de travaux conduits en collaboration avec l’ECAM de Lyon et l’ICB (Université de Bourgogne/CNRS) a débouché
sur la compréhension des mécanismes de croissance des couches de carbure de tantale, sur la maîtrise de la diffusion du
carbone lors d’une étape de recuit sous vide, ainsi que sur la mise au point d’une méthode de carburation (brevet en cours
de dépôt). Les premiers essais d’utilisation des creusets obtenus sont très encourageants.
Une pré-étude prospective a montré que le remplacement du Ta par des alliages (principalement du TaW) permettrait des
gains significatifs : carburation plus facile et plus efficace (diminution de la précipitation intra granulaire au profit de la
précipitation aux joints de grains), meilleure maîtrise de la microstructure du tantale (limitation de l’augmentation de la taille
des grains lors des opérations de cémentation).
Les objectifs de la thèse sont de déterminer la nature et d’étudier les mécanismes de formation des différents carbures
obtenus lors de la cémentation basse pression d’alliage de tantale afin d’obtenir un matériau performant pour la fabrication
de pièces utilisées lors de traitement d’actinides à haute température et en milieu sel fondu. Il s’agit également de
comprendre les différences notables entre la carburation du tantale et celle de ces alliages.
Pour cela, il est nécessaire de reprendre les essais préliminaires effectués avec TaW, et éventuellement cibler d’autres
éléments d’alliage possibles par une analyse des éléments de la littérature. Les étapes de carburation puis de recuit doivent
être étudiées et maîtrisées. Une étude complète sur l’influence de la microstructure sur la carburation mais aussi sur
l’influence de l’élément d’alliage sur la microstructure doit être faite. Des changements importants ont été observés sur la
morphologie des couches de carbures ainsi obtenues et leur nature n’est pas connue avec certitude : il est possible que la
présence d’un élément comme le tungstène puisse également former des carbures. Il s’agira donc de déterminer avec
précision si c’est le cas. Enfin, des pièces prototypes (creusets, électrodes) devront être fabriquées et testées avec des
métaux simulant les actinides puis en condition réelle.
La thèse se déroulera en partenariat entre l’ECAM de Lyon qui possède des moyens de caractérisations, un four de
cémentation et les compétences nécessaires au bon déroulement du projet, l’ICB (Université de Bourgogne) qui apporte son
expertise et des moyens de caractérisations complémentaires à ceux de l’ECAM. Enfin, le doctorant pourra suivre les essais
réalisés en conditions réelles sur les installations du CEA/Valduc. Une collaboration avec l’Université de Toulouse peut
également être possible pour les essais d’électrodes en tantale carburé.
Directeur de thèse et école doctorale : Philippe Jacquet (ECAM Lyon), Vincent Vignal (UB)
Contact : CEA/Valduc : Sébastien Faure - tél 03 80 23 40 00, courriel (à utiliser de préférence) [email protected]
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Sujet :
Développement et mise en œuvre par extrusion de membranes nanocomposites hybrides pour
électrolyseur
Contexte :
Cette thèse se situe dans le contexte du projet LAVOISIER, entre le CEA et la Région Centre, qui a pour objectif le
développement de nouvelles filières industrielles dans le domaine des énergies renouvelables.
Objectif du contrat thèse :
Le développement des électrolyseurs à membranes échangeuses de proton est en très forte croissance car ces systèmes
sont très bien adaptés pour produire de l’hydrogène à partir d’électricité générée par des sources d’énergie renouvelable
(solaire ou éolien). Les performances actuelles des électrolyseurs PEM sont limitées par les propriétés de la membrane qui
doit posséder une très bonne conduction protonique mais également présenter une très faible perméation directe de
l’hydrogène, une bonne résistance mécanique et une forte sélectivité cationique. Pour cela, les membranes commerciales
pour électrolyseurs ont des épaisseurs de l’ordre de plusieurs centaines de micromètres, nettement plus importantes que
celles pour PEMFC.
Le CEA/Le Ripault a développé des membranes nanocomposites pour PEMFC composées d’une matrice PVDF et d’une
charge hybride constituée de silice greffée par un polymère conducteur protonique en utilisant le procédé de
coulée/évaporation. Les performances en pile à 60°C sont actuellement meilleures que celles des membranes de
commerciales référence du type Nafion. Le procédé de mise en œuvre par coulée/évaporation est bien adapté pour la
réalisation de membranes nanocomposites de quelques dizaines de micromètres mais limité pour des membranes plus
épaisses à cause des temps de séchages trop longs favorisant la décantation de la charge hybride.
En revanche, le procédé d’extrusion permet de préparer des membranes denses dans la gamme de la centaine de
micromètres et d’incorporer finement des charges hybrides par malaxage dans la vis. Enfin, il a été démontré qu’il est
également possible d’obtenir un matériau nanocomposite hybride PVDF-Silice sulfonée par la technique d’extrusion réactive
à partir de précurseurs liquides tels que Poly(dimethylsiloxane) et Mercaptopropyltriethylene.
Le sujet de thèse porte donc sur la mise en œuvre et la caractérisation de membranes nanocomposites hybrides par le
procédé d’extrusion conventionnelle (mélange de PVDF et de silice greffée par du polystyrène sulfonate) couplé à une
extrusion réactive de manière à améliorer la compatibilité entre la matrice et la charge hybride et abaisser le seuil de
percolation.
La première partie de la thèse portera sur l’étude de l’extrusion de membranes sulfonées par des techniques
conventionnelles. Les travaux consisteront à développer des formulations et procédés permettant d’obtenir des membranes
conductrices homogènes et d’épaisseur contrôlée. L’homogénéité pourra être obtenue avec l’assistance de polymères, de
matrices fonctionnalisées ou par couplage avec des procédés d’extrusion réactive.
Une deuxième partie de thèse pourra s’intéresser à l’extrusion de membranes bifonctionnelles (sulfonées/phosphonées)
(mélange de charges ou charges bifonctionnelles) afin d’augmenter les températures d’utilisation des membranes et
d’accroitre leurs performances mécaniques, ce qui permettra de réduire les épaisseurs des matériaux (baisse des coûts) ou
d’augmenter les pressions de service de l’électrolyseur.
Les différentes membranes seront testées en électrolyseur sur de petites surfaces, avant d’être évaluées en stack (dans un
autre laboratoire du CEA, ou en collaboration avec la société CERAMHYD).
L’Europe met actuellement l’accent sur l’électrolyse PEM. Les développements issus de ces études pourront servir à
renforcer l’argumentation scientifique des réponses aux appels à projets européens sur lesquels le CEA se positionne.
Directeur de thèse et école doctorale : P. BUVAT (CEA), J.F. TASSIN (Université du Mans) ; Université de TOURS
Contact : Pierrick BUVAT, Janick BIGARRE (02 47 34 40 00), [email protected], [email protected]
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Sujet :
Développement de revêtements nanostructurés 3D par procédé sol-gel pour des applications laser de
puissance
Contexte :
Les réseaux de diffraction sont couramment utilisés pour la génération d’impulsions ultra-courtes dans les systèmes laser
utilisant l’amplification à dérive de fréquence comme le laser PETAL actuellement en cours de montage sur le LMJ près de
Bordeaux. Le développement de réseaux entièrement diélectriques a permis d’obtenir un gain significatif sur la tenue au flux
laser par rapport aux réseaux métalliques tout en conservant de très bonnes efficacités de diffraction en réflexion.
Afin d’augmenter encore le seuil d’endommagement laser de ces réseaux de diffraction, des études sont actuellement
menées afin de tendre vers des structures de type cristaux photoniques 3D composées d’un seul matériau. Ces cristaux
photoniques peuvent par exemple être constitués de particules d’un matériau dans une matrice d’aire (opale) ou de billes
d’air dans la matrice du matériau (opale inverse). Dans les deux cas, l’air joue le rôle de matériau bas indice (n=1) alors que
le matériau constitue l’élément haut indice (n>1).
Le procédé sol-gel très utilisé par le CEA pour développer des matériaux optiques à haute tenue au flux laser offre dans ce
contexte un grand potentiel dans la construction de ces réseaux de matériaux nanostructurés et organisés. De plus, les
procédés de mise en œuvre par voie liquide tels que le trempage-retrait en régime capillaire ou la technique de LangmuirBlodgett sont bien adaptés à la réalisation de ce type de structure sur de grandes surfaces.
Des travaux réalisés au laboratoire [1] ont déjà permis de réaliser des miroirs à base d’opales de silice et ont montré
l’importance de disposer de particules ayant la meilleure monodispersité possible afin d’atteindre un bon niveau de
réflectivité en incidence normale.
L’objectif de cette thèse est donc de poursuivre ces travaux afin de réaliser des revêtements nanostructurés pour
l’élaboration de miroirs à base de cristaux photoniques de grandes dimensions et pouvant fonctionner à angle d’incidence
non nul. Pour cela, les études se porteront sur les deux types de structures (opales et opales inverses) afin de définir celle
qui répondra le mieux aux spécifications tant d’un point de vue réflectivité que tenue au flux laser.
Au cours de la thèse, le candidat travaillera tout d’abord sur la synthèse du matériau qui sera utilisé pour former la structure
du cristal photonique. Ensuite, la mise en œuvre sera réalisée soit par trempage-retrait en régime capillaire soit par la
technique de Langmuir-Blodgett. Les miroirs à base d’opales ou d’opales inverses ainsi obtenus seront caractérisés puis
comparés aux miroirs diélectriques classiques. Ils pourront ensuite servir de base pour la réalisation d’un réseau de
compression de démonstration grâce à l’ajout d’un motif diffractif.
Directeur de thèse et école doctorale : Philippe BELLEVILLE / Ecole Doctorale " Energie, Matériaux, Sciences de la Terre
et de l’Univers" (Université de TOURS)
Contact : Bertrand BERTUSSI ([email protected])
Référence :
[1] « Développement de cristaux photoniques 3D par procédé sol-gel pour des applications laser de puissance » F. Benoit,
Thèse de l’université François Rabelais (2015)
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Mécanique,
thermomécanique,
aérodynamique
Passage d'un choc à travers une zone de mélange turbulent.
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Sujet :
Caractérisation du comportement de fragmentation dynamique d’enveloppes métalliques accélérées via
des expériences de fragmentation de cylindres à petite échelle
Contexte :
Dans le domaine de la sécurité pyrotechnique, la caractérisation du terme source pour les effets de projection est un sujet
encore ouvert dont l’impact sur l’activité des entreprises peut être très important (il permet notamment de déterminer les
rayons de sécurité). Une charge cylindrique à revêtement métallique (acier) en expansion et soumise à une pression interne
va, par suite du développement d’instabilités, se fragmenter en une multitude de fragments dont on souhaite prévoir le
nombre et la distribution en masse.
Une simulation numérique, utilisant un code de dynamique rapide, de ces phénomènes va être à moyen terme disponible
(Thèse encadrée par J-J Marigo avec le LMS de l’Ecole Polytechnique). Cependant pour ne pas rester uniquement
qualitative mais être prédictive, elle devra s’appuyer sur une meilleure connaissance de la loi de comportement et
d’endommagement du matériau (dans le cadre d’un modèle d’endommagement à gradient). C’est l’objectif de cette thèse.
L’approche envisagée ici est de tirer profit des lois de similitudes existantes pour réaliser des expériences de fragmentation
et de pré-fragmentation de cylindres à échelle réduite et ainsi remonter aux caractéristiques (paramètres) de la loi de
comportement cherchée. Les expériences seront réalisées sur les mêmes matériaux (ayant subi les mêmes traitements
thermomécaniques) que ceux utilisés lors de la fabrication des corps de bombe.
Ce domaine est d’intérêt pour l’industrie de la pyrotechnie de façon générale ; la poursuite, en qualité de post-doctorant, de
travaux dans ce domaine dans d’autres labos et structures de recherche est possible.
La fragmentation d’une charge cylindrique résulte de sa mise en vitesse initiale par la détonation de l’explosif qu’il contient et
de la pression ainsi générée par les produits de détonation ; l’état de contrainte induit dans l’enveloppe métallique et son
évolution est à l’origine des phénomènes ultérieurs de fragmentation observés.
Des zones de rupture vont alors apparaître dans l’enveloppe par suite du développement d’instabilités (bandes de
cisaillement) et de leur propagation sous forme de fissures amenant à la fragmentation du matériau et à la génération de
gerbes d’éclats. Cette fissuration est accompagnée d’une relaxation locale des contraintes qui se propage (les ondes de
Mott) empêchant la génération ou le développement de nouvelles instabilités ; il en résulte au final la fragmentation de
l’enveloppe métallique. On souhaite connaître le nombre d’éclats générés ainsi que leur répartition en tailles en fonction de
la sollicitation initiale du cylindre. Pour cela la connaissance de la loi de comportement du matériau est nécessaire.
L’approche proposée consiste à tirer parti des lois de similitudes pouvant exister pour exploiter des expérimentations
réalisées à des échelles réduites, expériences beaucoup plus aisées à réaliser comme à interpréter, ainsi que des
expériences de pré-fragmentation sur lesquelles, exploitant le réseau de début de fissuration observée et le confrontant aux
résultat des simulations numériques correspondantes, la caractérisation de la loi de comportement-endommagement du
matériau pourra être déduite. Sur des échantillons où la fragmentation du matériau n’aura été qu’amorcée puis figée, le
développement des fissures partiellement générées, pourra être analysé et comparé à des résultats de simulation
numérique 2-D pour permettre de prédire et valider les modélisations physiques (en l’occurrence, la loi de comportement à
gradient d’endommagement retenue). Parallèlement à ces expérimentations, d’autres données physiques issues
d’expérimentations élémentaires et plus classiques (traction, torsion, mouton de Charpy, barre d’Hopkinson, fragmentation
d’anneau…) seront utilisées pour la détermination des paramètres de base de la modélisation.
La première partie de la thèse sera consacrée à une étude bibliographique portant sur la fragmentation dynamique des
aciers et à l’appropriation des travaux de Taylor, Mott, Grady…, ainsi que des thèses récentes (Saint-Etienne, LMS…) sur
ces questions.
Une deuxième phase sera consacrée à l’appropriation des codes de calcul existant sur ces questions (dont celui développé
au LMS), ainsi qu’à l’analyse et à la définition des expériences de fragmentation à échelle réduite sur des cylindres à
proposer et à réaliser.
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La troisième phase sera consacrée à la réalisation et à l’exploitation de ces expériences en s’appuyant, tant pour la
préparation que pour les dépouillements sur des résultats de simulations numériques. Un modèle de comportement
plastique endommageable à gradient d’endommagement pourra alors être validé.
La quatrième phase sera consacrée à la rédaction du mémoire de thèse, d’articles ainsi qu’à l’application du modèle retenu
à un cas concret de fragmentation (corps de bombe) et à la détermination numérique de la gerbe d’éclats associée.
La caractérisation métallographique et mécanique du matériau sera également menée en parallèle en utilisant des résultats
d’autres travaux (thèses et stages).
Directeur de thèse et école doctorale : Helmut Klöcker (ENSMSE), co-directeur Gilles Damamme (CEA)
Contact : auré[email protected] - CEA/Gramat – 05 65 10 54 32
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Sujet :
Analyse bayésienne de la détermination de la gerbe d’éclats provoquée par l’explosion d’une bombe à
fragmentation naturelle
Dans le contexte de la vulnérabilité des satellites, la survivabilité de leurs fonctions aux impacts de fragments relève d’un
même type d’approche avec, dans ce cas, la génération d’une gerbe d’éclats secondaire qui, à la suite de son interaction
avec le satellite, peut être encore plus pénalisante que la gerbe d’éclats initiale.
Contexte :
La détonation d’une bombe à fragmentation génère un très grand nombre de fragments (de l’ordre de plusieurs dizaines de
milliers) de différentes masses, vitesses, directions angulaires et formes, le tout ayant un aspect stochastique. Ceux-ci ont
alors un vol balistique avant d’interagir avec différentes cibles. La maîtrise des effets provoqués par les fragments nécessite
une bonne connaissance de cette “gerbe” d’éclats. En sécurité pyrotechnique la détonation accidentelle d’explosif et de
charges explosives conduit elle-aussi à la génération de fragments ayant un caractère aléatoire important.
Les expériences que l’on peut réaliser pour mieux connaître ces gerbes d’éclats sont possibles mais, de par leur coût et leur
lourdeur de mise en œuvre, elles restent toutefois très peu nombreuses, partielles (récupération des éclats dans seulement
certains secteurs angulaires, etc.) et très variables relativement aux problématiques de sécurité pyrotechnique relevant
d’accidents.
Sur la base et la poursuite des travaux de modélisation / simulation déjà réalisés, on s’attachera à développer l’analyse
statistique associée. En tirant profit de la connaissance ou de la méconnaissance de tel ou tel facteur, le doctorant devra
établir une méthode pour évaluer des probabilités d’impact ou, en sécurité pyrotechnique, de non impact (à la base de la
détermination réglementaire des différentes zones de danger) associées à la gerbe d’éclats.
Il est demandé d’analyser comment, et compte tenu des informations dont on dispose, l’on pourrait caractériser cette “gerbe
d’éclat” à partir d’une loi de distribution de probabilités en masse, vitesse, et direction angulaire.
Pour cela, on prendra en compte aux mieux toutes les informations dont on peut disposer au CEA/Gramat, incluant :
-
Les résultats de quelques essais (souvent partiels),
-
Les considérations sur la physique du phénomène (processus de fragmentation dynamique),
-
Les résultats de simulations numériques avec des modèles et codes de calcul forcément entachés d’erreurs plus ou
moins importantes,
-
Les effets recherchés de ces gerbes d’éclats.
Au-delà de fournir une proposition avec certaines marges de garantie de modélisation de cette “gerbe d’éclats”, la démarche
devra aussi permettre de juger de l’intérêt et de l’apport d’expérimentations complémentaires (plus ou moins partielles et
instrumentées) qui pourraient être réalisées.
Dans ce but, le doctorant devra orienter au mieux le choix des expérimentations complémentaires à mettre en œuvre pour
une optimisation des modèles que l’on en déduit : typiquement, vaut-il mieux construire un modèle avec une seule
expérience, en récupérant 95% des fragments ou bien diversifier les expériences (4 à 5) en récupérant moins (60%) de
fragments.
Il s’agira donc, au final, de développer une approche permettant d’optimiser le triptyque {Nombre de tirs, Taux de
récupération, Caractérisations recherchées}.
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Sujet :
Modélisation et simulation du comportement de céramiques de blindage sous choc
Contexte :
Les céramiques entrent très souvent dans la conception de solutions des blindages à très haut niveau de protection.
Néanmoins les liens unissant la microstructure de ces matériaux à leur performance balistique restent flous. La puissance de
calcul actuelle permet d’initier des études à l’échelle des grains afin d’étudier les mécanismes physiques activés sous des
sollicitations intenses.
Modéliser et mettre en œuvre la simulation numérique pour améliorer la compréhension des liens entre les caractéristiques
de la microstructure des céramiques et leur comportement sous choc dynamique.
À partir des outils de simulation disponibles au CEA/Gramat, il s’agira de renforcer la compréhension de l’influence de la
microstructure sur le comportement des céramiques sous impact. L’étude sera conduite en trois étapes :
1.
Bibliographie : Il s’agira tout d’abord d’analyser les travaux expérimentaux réalisés sur le comportement sous choc des
céramiques afin de rassembler des informations sur l’influence des propriétés microstructurales comme la taille des
grains, les porosités, la présence de phases secondaires…
2.
Mise en place d’une chaîne de calcul permettant de générer des microstructures d’études : des outils spécifiques sont
mis en œuvre au CEA/Gramat, ils devront être adaptés et utilisés pour définir des matériaux modèles avec des
distributions de taille de grain, des porosités, la présence de microfissures et de phases secondaires.
3.
Simulations numériques de la propagation d’ondes de choc et de pulse de compression isentropique dans ces milieux
hétérogènes permettant d’évaluer les perturbations locales (autour des hétérogénéités) et globales (influence sur la
réponse du matériau).
Contact : [email protected] – CEA/Gramat - 05 65 10 54 32
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Sujet :
Etude expérimentale de l’endommagement et de la rupture dynamique d’un acier 35NCD16 : de la
caractérisation thermomécanique à la validation sur des problématiques de fragmentation dynamique
Contexte :
L’étude de la fragmentation de confinements métalliques en expansion dynamique intéresse tant l’industrie (évaluation des
risques liés à l’explosion de containers sous pression) que la défense (connaissance de la fragmentation de corps de
bombe…). La prévision de l’instant de fragmentation et du nombre et de la vitesse de ces fragments constitue donc un enjeu
important. Elle passe par la compréhension des mécanismes mis en œuvre. Pour des métaux ductiles, tel le cuivre, après
une phase d’expansion stable de la structure, se développent des instabilités plastiques de striction. Certaines strictions se
développent jusqu’à rupture ; de ces sites de rupture partent des ondes de relaxation des contraintes qui viennent inhiber le
développement d’autres amincissements. Ces ondes sont connues sous le nom d’ondes de Mott (1948).
La phase d’instabilité et de localisation peut être initiée numériquement en introduisant une perturbation sur la limite
d’écoulement du matériau. Cette perturbation semble pouvoir être ajustée afin de restituer convenablement des essais
d’expansion d’anneaux, par exemple.
La simulation de la phase de fragmentation nécessite, quant à elle, une caractérisation fine du mode d’endommagement et
de rupture pour des régimes de sollicitation à des vitesses de déformation de l’ordre de 104 s-1 durant lesquels les couplages
thermomécaniques en jeu sont importants. Une telle caractérisation n’est obtenue, à l’heure actuelle, que pour des
sollicitations à des vitesses inférieures à 103 s-1 ou sous impact. Un moyen d’expansion d’anneaux pré-entaillés a été
développé au CEA/Gramat afin d’étudier l’endommagement dans la gamme de vitesse de déformation d’intérêt. L’étude de
l’évolution de l’entaille au cours du chargement devrait ainsi permettre d’identifier les processus d’endommagement en jeu
dans un acier 35NCD16 lorsque celui-ci est mis en vitesse à des vitesses de déformation importantes.
L’objectif de cette thèse est de caractériser l’endommagement et la rupture dynamique d’un acier 35NCD16 à moyennes et
grandes vitesses de déformation (à partir d’essais d’expansion d’anneaux pré-entaillés) et de valider le modèle identifié sur
des situations de fragmentation dynamique. Ce travail se fera à la fois à partir d’observations micro-structurales du faciès de
rupture et à partir de l’exploitation d’instrumentations adaptés aux mesures cinématiques (vidéos numériques ultra-rapides)
et aux mesures de température (pyromètre). La caractérisation ainsi obtenue alimentera un modèle d’endommagement et de
rupture intégré dans les codes de simulation qui fera l’objet d’une validation sur des configurations de fragmentation
dynamique.
Une première étude de caractérisation du comportement ainsi que de l’endommagement et de la rupture statique et
faiblement dynamique (essais au mouton Charpy) est actuellement entreprise sur l’acier 35NCD16.
La première partie de la thèse sera donc consacrée à la poursuite de cette caractérisation à moyennes et grandes vitesses
de déformation en exploitant une instrumentation adaptée à l’évaluation de l’impact des couplages thermomécaniques tant
sur le comportement que sur l’endommagement et la rupture de cet acier. Une seconde partie consistera à la mise en œuvre
d’essais d’expansion d’anneaux par forces électromagnétiques dont l’exploitation servira, dans une troisième partie, à des
comparaisons expériences/calculs.
Patrice Longère – 05 61 17 11 78 – ISAE, 10 av. Edouard Belin, BP 54032, 31055 TOULOUSE
François Hild – 01 47 40 21 92 – LMT ENS-Cachan, 61 av. du Président Wilson, 94235 CACHAN
Contact : skander.elmaï@cea.fr - CEA/Gramat - 05 65 10 54 32
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Sujet :
Étude multi-expérimentale des transformations de phases et de leur impact sur les propriétés
mécaniques d’un acier inoxydable austénitique stabilisé au niobium
Contexte :
Le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives du centre de Valduc, en collaboration avec l’Ecole des
Mines de Paris et différents partenaires industriels (DCNS et AUBERT & DUVAL), propose un sujet de thèse portant sur
l’étude des transformations de phases et des propriétés mécaniques d’un acier inoxydable austénitique stabilisé au niobium :
l’acier 316 Nb. Cet acier est utilisé pour la fabrication de pièces de fortes épaisseurs soumises sur de très longues durées à
des sollicitations thermomécaniques élevées (température et pression).
Cette étude s’inscrit à la suite d’une première thèse se terminant en septembre 2016. Ce premier travail a permis d’étudier
l’effet du procédé de fabrication (étape de solidification, traitement thermomécanique et trempe) sur les modifications
microstructurales du matériau. L’objectif de cette seconde thèse est d’améliorer notre connaissance de l’impact de ces
modifications sur les propriétés mécaniques finales des pièces. Un volet important de la thèse consistera également à
modéliser les phénomènes mis en jeu afin de tendre vers un modèle prédictif complet : gamme industrielle microstructure
propriétés mécaniques locales.
Les travaux précédents ont permis d’établir de nombreux liens entre chemin thermomécanique et évolution de la
microstructure (notamment les phénomènes de restauration / recristallisation). Un premier parallèle avec la gamme de
forgeage (température de forge, vitesse de déformation, vitesse de trempe) a ainsi pu être effectué.
L’objectif principal de cette nouvelle thèse est d’étudier plus finement les relations existant entre les évolutions
microstructurales et les propriétés mécaniques. Pour cela, il est envisagé de réaliser plusieurs chemins thermomécaniques
modèles sur des blocs de matière permettant de se rapprocher des pièces réelles, à la fois en termes de taille et
d’hétérogénéités. Plusieurs essais sont ainsi proposés : laminage de blocs sur un laminoir de laboratoire et forgeage de
« pancakes ». Ces essais permettront de disposer de blocs de taille suffisamment importante pour rendre possible l’usinage
d’éprouvettes conventionnelles et ainsi accéder aux propriétés mécaniques locales (via des essais de traction et de
résilience). L’accent sera mis sur l’étude de la formation et de l’impact des carbonitrures de niobium. A cette fin, des coulées
en laboratoire, avec et sans niobium, permettront d’établir des différentiels et de caractériser l’impact de ces précipités sur
les propriétés mécaniques, en fonction de leur taille et de leur répartition.
Actuellement, des modèles numériques disponibles chez les différents partenaires permettent d’établir des premiers liens
entre gamme industrielle, chemin thermomécanique local, microstructure et propriétés mécaniques. Le travail expérimental
présenté ci-dessus, couplé aux données déjà disponibles, permettra de disposer d’une base de données expérimentales
conséquente sur laquelle ces modèles pourront être testés, recalés et améliorés afin de prendre en compte les spécificités
de l’acier 316 Nb.
Cette étude sera co-encadrée par 1) le CEA - centre de Valduc, à proximité de Dijon, 2) l’Ecole des Mine des Paris
(ENSMP), 3) DCNS-CESMAN, site d’Indret à proximité de Nantes, en tant que fabricant des pièces et 4) le forgeron
AUBERT & DUVAL. Le doctorant sera basé à l’Ecole des Mines mais sera amené à se déplacer régulièrement auprès des
différents partenaires afin de bénéficier de leur expérience et des moyens expérimentaux qui leur sont propres (entre
autres : DSC, microscopie optique, microsonde de Castaing, MET, MEB, machines d’essais mécaniques, moyen
expérimentaux de forgeage, etc.).
Directeur de thèse et école doctorale : Anne-Françoise Gourgues - Ecole Nationale des Mines de Paris
Contact : CEA/Valduc – tél. 03 80 23 40 00 : Sylvain Ringeval– [email protected] ; Eric Suzon – [email protected]
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Sujet :
Etude de la nocivité de défauts dans les structures
Contexte :
Les procédés de fabrication tels que le soudage ou la fabrication additive génèrent des défauts. Les progrès des contrôles
non destructifs permettent de détecter, localiser, mesurer les dimensions de ces défauts de manière plus précise. Afin de ne
pas rebuter des pièces présentant des défauts non critiques pour la structure et vis-à-vis des sollicitations mécaniques, il est
indispensable de développer des méthodes de dimensionnement les prenant en compte.
Ces méthodes doivent apporter des réponses quantitatives à la définition des critères d’acceptation des défauts. De plus les
outils développés devront être utilisables sur structure et permettre de réaliser des calculs nécessaires aux bureaux d’études
dans le cas de la justification des dérogations (acceptation d’une pièce avec défaut).
L’objectif de la thèse est donc de proposer une méthodologie innovante de dimensionnement de structures avec des
défauts.
Le travail de thèse se déroulera en 4 volets, mêlant à la fois les aspects expérimentaux et numériques avancés.
Dans un premier temps, des éprouvettes représentatives des défauts rencontrés sur pièce mais aussi contenant des défauts
volontairement accentués et reproductibles (en surface et à cœur) seront réalisées afin de bien définir les critères
d’acceptation de ces défauts.
Des analyses par tomographie X seront réalisées sur grands instruments afin d’analyser le type de défauts présents à cœur
des pièces.
Une analyse statistique sera ensuite menée afin de proposer un modèle « mathématique » capable de générer des défauts
représentatifs dans une structure. Une attention particulière sera portée sur le type de défaut (en surface ou à cœur), la
morphologie, la taille, l’orientation et la densité.
Les mécanismes d’endommagement pourront également être étudiés par tomographie. Ce volet a pour objectif de définir les
critères d’endommagement (ductile ou en fatigue) ou de tenue aux environnements mécaniques. Ces critères devront faire
appel à des paramètres pertinents du point de vue physique.
La dernière partie de la thèse consistera à développer et utiliser les modèles numériques. Des calculs par éléments finis
seront réalisés de manière systématique sur les éprouvettes caractérisées par tomographie X ou des microstructures avec
défauts générés à l’aide du modèle préalablement mis en place.
Des méthodes numériques innovantes et performantes seront mises en place afin que les calculs soient réalisables dans
des temps compatibles avec le bureau d’étude. Dans le cas de la propagation de fissure par fatigue et également pour
limiter la multitude de configurations statistiques, il faudra envisager de mettre en place des méthodes de réduction de
modèles afin de réaliser des calculs avec des configurations réalistes de défauts et des calculs cycliques sur plusieurs
milliers (voir millions) de cycles dans un temps raisonnable. L'approche par réduction de modèles permet de réaliser des
études paramétriques complexes à partir d'une base de données de résultats de calculs réalisés off-line.
Il pourra également être envisagé de représenter la microstructure avec défauts avec un milieu homogène équivalent.
Cette méthodologie sera validée sur une pièce de structures en alliage de titane comportant des défauts introduits de
manière volontaire.
La démarche scientifique proposée s'appuiera sur l'expertise de plusieurs équipes de l'Ecole des Mines de Paris, la
coordination étant réalisée par l'équipe Comportement Calculs de Structures du Centre des Matériaux. L'imagerie
tridimensionnelle de défauts par microtomographie sera réalisée en coopération avec l'équipe Métallurgie Mécanique (des
campagnes de mesures seront prévues à Grenoble ou/et dans la région parisienne par un financement dédié ou/et des
propositions soumises aux grands instruments). La modélisation morphologique mathématique et statistique, ainsi que
certains aspects de maillage des défauts, seront réalisés en coopération avec le Centre de Morphologie Mathématique de
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l'Ecole des Mines. Les calculs par éléments finis, les modèles de comportement et de durée de vie seront développés dans
l'équipe Comportement Calculs de Structures du Centre des Matériaux, en concertation avec le CEA/Valduc afin que les
calculs soient réalisables sur site.
Samuel Forest (Mines ParisTech)
Ecole doctorale No 432 Sciences et Métiers de l'Ingénieur
Il s'agira d'une thèse Paris Sciences et Lettres, préparée à Mines ParisTech.
Co-encadrement : David Ryckelynck, Henry Proudhon (Centre des Matériaux), Matthieu Fayssel, François Willot (Centre de
Morphologie Mathématique)
Contact : CEA/Valduc : Sylvain Flouriot ([email protected], 03 80 23 40 00),
Alexandre Thomas ([email protected], 03 80 23 40 00)
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Sujet :
Etude et modélisation d’impacts basses et hautes vitesses sur des matériaux et structures de satellites
Contexte :
Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre de la problématique de la limitation de débris satellitaires suite à des impacts hyper
véloces.
La démarche scientifique pour répondre à ce besoin consiste à développer des matériaux innovants, les tester sous impacts
hyper vitesses, avant de concevoir des structures intégrant les matériaux ayant un comportement satisfaisant. Les structures
ainsi réalisées seront également soumises à des impacts hyper vitesses et devront à la fois tendre à pré-fragmenter les
débris pour limiter les effets associés, mais également réduire l’émission de débris secondaires pour limiter la croissance de
leur population.
Evaluer et qualifier la tenue de matériaux et de structures soumis à des impacts hyper véloces représentatifs des conditions
réelles.
Pour ce faire, on déclinera un protocole expérimental au moyen de lanceurs basse et haute vitesses et on s’intéressera en
particulier à des matériaux du type nanotube de carbone. Les expériences correspondantes seront finement instrumentées
afin d’acquérir des données précises sur les réponses des matériaux et les comportements des structures.
Une approche modélisation physique – simulation numérique viendra compléter le volet expérimental dans une démarche
d’optimisation des structures.
1)
Etudes de structures actuelles sous impacts (T0 à T0+12 mois),
2)
Etudes et renforcement éventuel de matériaux innovants (T0+6 mois à T0+24 mois),
3)
Structuration des matériaux sélectionnés (T0+18mois à T0+36mois),
4)
Validation sur démonstrateur hyper vitesse de nouvelle génération 8 à 10 km/s (en fonction des délais de
développement du lanceur).
Ces 4 volets regroupent les activités suivantes :
-
Impacts basses vitesses : institut Clément Ader,
-
Impact hautes vitesses : CEA/CESTA (lanceur MCIA),
-
Diagnostics associés : chronométrie, mesures de vitesses d’impact et de débris (caméras ultra rapides et vélocimétrie
hétérodyne), Radiographie X, collectes passives de débris induits,
-
Simulations numériques associées au moyen du code LS Dyna : modélisation des chocs, faibles à forts, méthode SPH
(Smooth Particle Hydrodynamics).
Directeur de thèse et école doctorale : Jean-Marc Chevalier et à définir en partenariat avec l’Institut P’
(Poitiers)
Contact : Jean-Marc Chevalier ; [email protected]; tel : 05 57 04 40 00
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Sujet :
Capture de particules fines par une mousse aqueuse
Contexte :
Dans le cadre de ses programmes dans le domaine de la sécurité, le CEA étudie des dispositifs destinés à limiter les effets
des engins explosifs. Lors de travaux antérieurs, il a été démontré qu’une mousse aqueuse permettait d’atténuer les effets
de souffle (onde de choc, boule de feu). Des engins explosifs peuvent également disperser des particules inhalables. La
question posée est de déterminer si des mousses utilisables pour atténuer les ondes de choc peuvent aussi piéger des
particules.
Développer et valider une modélisation permettant d’évaluer l’efficacité de milieux diphasiques de type mousse pour freiner
et confiner des particules générées par un engin explosif.
Cette thèse comporte donc un volet numérique et un volet expérimental.
Du point de vue théorique et numérique, il s’agira de développer une modélisation du freinage de particules dans un milieu
diphasique (eau, air) en présence d’ondes de choc. Cette modélisation a vocation à être incorporée dans un code de calcul
multiphasique, appelé M3OUSSACA, développé pour étudier l’atténuation d’une onde de choc par une mousse aqueuse.
Le programme expérimental destiné à valider le modèle pourrait comporter 4 volets :
-
Détermination du pouvoir d’arrêt de la mousse sur un nuage de particules propulsé par un tube à choc.
-
Détermination du pouvoir d’arrêt de la mousse sur un nuage de particules propulsé par une onde de détonation induite
par un mélange gazeux à l’aide d’un tube à détonation.
-
Détermination du pouvoir d’arrêt de la mousse sur un nuage de particules propulsé par une charge explosive.
-
Evaluation globale de la quantité de particules fines libérées dans une enceinte après détonation d’une charge
recouverte de particules et noyée dans un volume de mousse variable.
Ce travail permettra au candidat d’acquérir des compétences en physique des chocs et en hydrodynamique, que ce soit
dans le domaine expérimental ou numérique.
A noter : la réalisation des expériences nécessite des déplacements sur des sites d’expérimentation en province.
Directeur de thèse et école doctorale : Prof. Ashwin Chinnayya, ISAE/ENSMA, Ecole doctorale de l’université de Poitiers :
SI-MMEA, Sciences et Ingénierie en Matériaux, Mécanique, Energétique et Aéronautique.
Contact : Denis Counilh, CEA/DIF – 01 69 26 40 00 – [email protected]
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Sujet :
Modélisation de la fracturation et de la fragmentation par une approche éléments discrets
Contexte :
Afin de pouvoir mieux appréhender certains risques environnementaux, nous avons développé au sein du Laboratoire de
Détection et de Géophysique (CEA) un code aux éléments discrets qui permet de modéliser les glissements de terrain, les
ruptures et les effondrements de structures soumises à des impacts ou des explosions.
Cette méthode numérique permet d’avoir une nouvelle approche de la fracturation plus facile à développer numériquement
que les approches de la Mécanique des Milieux Continus et qui ouvre de nouvelles perspectives avec le développement
des super calculateurs.
Nous souhaitons à travers cette thèse approfondir les capacités de cette méthode discrète dans la modélisation de la
fracturation et de la fragmentation afin de pouvoir progresser dans l’analyse de certaines grandes questions de la rupture
dynamique ou statique :
-
analyse de la vitesse de propagation de la fracture (problème du supershear par exemple),
-
loi de comportement des matériaux soumis à une traction ou à une compression en fonction de la vitesse,
-
prise en compte de la température,
-
fragmentation (distribution de la taille des fragments, vitesse des fragments…).
Ce sujet est original par le développement d’une nouvelle approche numérique. Les travaux seront réalisés en
collaboration avec l’ENPC.
Les principales étapes de la thèse sont les suivantes :
-
analyse et développement des modèles,
-
validation sur des expériences de fracturation et de fragmentation,
-
développement de lois statistiques de fragmentation,
-
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…
Encadrants CEA : Christian MARIOTTI et Cyril BOLIS, CEA/DIF 01 69 26 40 00
Lieu de la Thèse :
CEA/DAM/DIF
Contact : Christian MARIOTTI
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[email protected]
Sujet :
Ablation tridimensionnelle d’un matériau composite en régime d’écoulement hypersonique
Contexte :
Lors de sa trajectoire à basse altitude, un véhicule de rentrée atmosphérique hypersonique, va se trouver entouré d’un
écoulement en régime laminaire, transitionnel puis turbulent en fonction de l’altitude.
La modification drastique du niveau et de l’évolution spatiale des flux de chaleur va avoir une influence directe sur l’ablation
des matériaux de la protection thermique. Nous nous intéressons ici, plus particulièrement à la zone pariétale située à
proximité du point d’arrêt.
Cette zone a initialement une forme régulière qui va se transformer fortement avec l’apparition de creusements
tridimensionnels appelés « gouges ». Ce type de phénomène, relié à un couplage fort entre écoulement et paroi érodable se
rencontre dans beaucoup de situations en physique (rivières souterraines, glaciers, certains types de dunes).
L’objectif est de simuler l’apparition de cette géométrie particulière, qui va se superposer à la rugosité issue de l’interaction
en écoulement laminaire
Le moyen d’atteindre cet objectif est d’élaborer un logiciel, aux potentialités intégrables dans un code couplé
aérodynamique-aérothermique-ablation, calculant la géométrie de paroi dans les conditions décrites ci-dessus. Pour cela,
plusieurs étapes sont nécessaires :
-
extension éventuelle de l’application du code AMA (marcheurs aléatoires – récession de paroi) développé au LCTS
(Laboratoire des Composites Thermo-Structuraux), couplé à un code de mécanique des fluides (Openfoam), afin de
gérer la transition entre rugosités microscopiques, mésoscopiques et macroscopiques,
-
développer ou adapter un modèle de transition ou/et de turbulence pour cette problématique,
-
déterminer et réaliser un plan d’expériences pertinent avec un matériau fantôme ou non. Des résultats d’essais sur
matériau représentatif existent déjà,
-
préparer l’adaptation de la méthodologie au code CEA.
Chaque étape nécessitera une validation numérique et mathématique (résolution analytique de certains configurations
bidimensionnelles éventuellement) afin d’assurer la cohérence des résultats fournis par le code de calcul.
Résoudre le problème de l’interaction écoulement-paroi en écoulement transitionnel et turbulent pour simuler les gouges.
Déroulement de la thèse : octobre 2016-septembre 2019
Directeur de thèse et école doctorale : G. Vignoles (LCTS)
Contact : J. Couzi ([email protected]) et J. Mathiaud, tel : 05 57 04 40 00
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Sujet :
Modélisation de la transition à la turbulence en aérodynamique hypersonique
Contexte :
Le sujet concerne la modélisation physico-numérique de l'écoulement autour d'un véhicule rentrant dans les couches denses
de l'atmosphère. Cet écoulement est caractérisé par une onde de choc détachée enveloppant le véhicule et par une couche
limite visqueuse au voisinage de la paroi. Lorsque le nombre de Reynolds augmente, l'écoulement évolue d'un régime
laminaire à un régime turbulent suivant le phénomène de transition. La transition est le résultat de l’amplification de
perturbations de la couche limite par des mécanismes d’instabilités. Ces perturbations peuvent être dues, via un processus
de réceptivité, à la turbulence extérieure, à des perturbations acoustiques ou encore à la présence de rugosités de la paroi.
De même, une modification de l’état de la couche limite (changement d’incidence, injection à la paroi) est susceptible de
modifier le mécanisme responsable et/ou le lieu de la transition. L’augmentation du flux de chaleur à la paroi et des
coefficients de pression due à la turbulence peut déstabiliser le véhicule lors de sa rentrée. Il est donc très important de
prendre en compte les mécanismes de transition à la turbulence dans les simulations numériques.
Dans les codes de calcul industriels, en général, des approches RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) permettent de
décrire l'écoulement comme la somme d'une partie moyenne et d'une partie fluctuante liée à la turbulence. Cette dernière
n'est donc pas calculée directement mais modélisée. La région de transition entre l’écoulement laminaire et pleinement
turbulent est alors décrite par un modèle qui doit alimenter de manière consistante l’énergie cinétique turbulente et un taux
de dissipation.
L’objectif de la thèse est de contribuer au développement de modèles de transition couplés à un modèle RANS k-ω
implémenté dans un code d’aérodynamique du CEA/CESTA et à leur validation en régime hypersonique.
Modélisation de la transition laminaire-turbulent en écoulement hypersonique
La thèse débutera courant 2016 pour une durée de 3 ans et comportera les contributions suivantes :
-
Travail bibliographique,
Implémentation d’un modèle de transition couplé au modèle k-ω (sous une forme algébrique et/ou d’équations de
transport),
Modification du modèle pour prendre en compte des effets de compressibilité,
Contribution à la validation et la calibration du modèle grâce à l’exploitation de données (théorie de stabilité de
couches limites, simulations DNS, expériences),
Participation à l’obtention de données au travers de collaborations avec des partenaires extérieurs au CEA basés en
France et en Belgique.
Directeur de thèse et école doctorale : à définir
Contact : M. Olazabal-Loumé, J. Mathiaud, tel : 05 57 04 40 00
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Thèses proposés au CEA/DAM 2016

Transcription

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