Description du sujet de thèse

Contexte
Les applications potentielles des sels fondus à haute température dans des applications énergétiques telles que l'énergie nucléaire et solaire, le stockage d'énergie et les batteries liquides ont suscité un intérêt considérable ces dernières années. Pour les applications dans les réacteurs nucléaires, les sels fondus ont été proposés à la fois comme vecteurs de combustible et comme réfrigérants de réacteur, avec le potentiel d'améliorer la sécurité et les performances de recyclage du combustible dans les réacteurs de nouvelle génération, en dépassant potentiellement les normes actuelles. De plus, de nombreuses conceptions de réacteurs reposent sur des systèmes passifs pour garantir trois fonctions fondamentales de sécurité d'un réacteur nucléaire : le contrôle de la réactivité, le refroidissement du combustible, et le confinement des matériaux radioactifs en cas d'accident. Les systèmes de sécurité passifs sont, par définition, conçus pour assurer ces fonctions sans intervention de l'opérateur ni alimentation externe en énergie.

Parmi les différents mécanismes physiques couramment employés dans les systèmes passifs, la circulation naturelle du fluide est un phénomène clé utilisé dans les réacteurs nucléaires pour éliminer la chaleur de désintégration, c'est-à-dire la chaleur résiduelle générée après l'arrêt de la réaction en chaîne de fission, dans des scénarios normaux et accidentels. La circulation naturelle permet le transport de la chaleur d'une source chaude vers un puits froid en exploitant les différences de densité du fluide causées par les gradients de température le long du circuit. L'utilisation de ce mécanisme simple d'élimination de la chaleur renforce la fiabilité des systèmes passifs par rapport aux systèmes de sécurité actifs, qui dépendent généralement de pompes, moteurs, composants mécaniques et alimentations externes. L'implémentation de systèmes de sécurité passifs dans les réacteurs nucléaires est devenue une recommandation majeure à la suite des leçons tirées de l'accident de Fukushima.

Les sels fondus sont bien adaptés pour développer des systèmes d'élimination de la chaleur des réacteurs basés sur la circulation naturelle en raison de leurs hautes températures de fonctionnement, de leurs faibles pressions, de leur excellente stabilité sous irradiation, de leur très bonne rétention des produits de fission, et de leur grande capacité de stockage thermique. Les systèmes de circulation naturelle pour l'élimination de la chaleur sont particulièrement importants dans les réacteurs de génération IV, tels que les réacteurs à sels fondus (MSRs), car ces conceptions visent à répondre à des normes de sécurité très strictes. Par conséquent, une compréhension fondamentale des systèmes de circulation naturelle, tant en conditions stationnaires que transitoires, est essentielle pour la conception des réacteurs et l'évaluation de la sécurité de ces nouvelles conceptions. L'un des aspects clés du flux de circulation naturelle est sa stabilité vis-à-vis d'une perturbation externe ou interne. Une méthodologie d'analyse de la stabilité permettant de caractériser les systèmes de circulation naturelle dans les réacteurs de génération IV utilisant des sels fondus est donc nécessaire. Le développement de cette méthodologie a été réalisé dans le cadre de précédents projets de doctorat [1][2][3][4][5] et est actuellement poursuivi à travers une collaboration entre le Politecnico di Milano et le CNRS dans le cadre du projet européen ENDURANCE (2024–2028). Dans ce projet, le Work Package 3 (WP3) se concentre sur divers expérimentations visant à étudier des phénomènes pertinents pour la sécurité des MSR. La tâche 3.3 de WP3 concerne spécifiquement l'extension de la méthodologie d'analyse de la stabilité et du travail expérimental associé. La thèse proposée apportera une contribution majeure à cette tâche. Le doctorant rejoindra les équipes du Politecnico di Milano et du LPSC-Grenoble travaillant sur ce sujet.

Objectifs du projet de thèse
L'objectif principal de ce projet de thèse est de mener de nouvelles études expérimentales afin d'étendre une méthodologie numérique d'analyse de stabilité existante, en y intégrant des phénomènes qui n'avaient pas été pris en compte ou qui l'avaient été de manière insuffisante dans les études précédentes. Ces améliorations visent à permettre l'application de la méthode d'analyse de la stabilité à des systèmes d'ingénierie plus complexes, en particulier ceux ressemblant aux systèmes passifs d'élimination de la chaleur de désintégration trouvés dans les réacteurs à sels fondus (MSRs). Les phénomènes supplémentaires à prendre en compte incluent, mais ne se limitent pas à : les variations de la viscosité et de la densité du fluide dues aux grands gradients de température (effets de compressibilité à bas nombre de Mach), l'influence du nombre de Prandtl, les échanges thermiques avec l'environnement, les effets de flux tridimensionnels et les effets de la turbulence. Le travail de thèse devrait également contribuer à améliorer l'efficacité computationnelle de la méthodologie en s'appuyant sur les travaux antérieurs concernant l'utilisation des méthodes de réduction d'ordre (ROM) pour l'implémentation numérique. D'autres améliorations de l'outil numérique pourraient inclure la mise en œuvre d'une recherche exhaustive des états d'équilibre du système et la caractérisation de la réponse du système à l'aide des analyses de densité spectrale de puissance (PSD) et de cohérence des champs de vitesse du fluide, obtenus à partir des expérimentations et des simulations numériques. En ce qui concerne l'aspect expérimental, le projet actuel vise à améliorer les résultats obtenus de l'expérience existante de la cavité plane (écoulement 2D) développée au LPSC [4] en modifiant l'installation expérimentale et en réalisant de nouvelles expériences, et à développer une nouvelle expérience de cavité 3D au Politecnico di Milano (Polimi) pour étudier les écoulements 3D et turbulents. Enfin, une autre zone d'exploration potentielle dans ce projet est l'utilisation d'approches alternatives, telles que la méthode de bilan entropique, pour caractériser la stabilité du champ de vitesse mesuré expérimentalement.

Organisation du travail
Le travail de thèse sera organisé en quatre phases. Les phases 1 et 2 dureront 18 mois au total et seront réalisées au LPSC-Grenoble. Les phases 3 et 4 seront réalisées au cours des 18 mois suivants au Département de l'Énergie du Politecnico di Milano (Polimi).

Phase 1 (~9 mois) : Amélioration de l'installation expérimentale
Au cours de cette phase, l'expérience existante de la cavité plane au LPSC [4] sera modifiée pour améliorer la qualité des mesures de flux (telles que les mesures de température avec des thermocouples plus précis), le contrôle des conditions aux limites (en réduisant les échanges thermiques avec l'environnement par l'utilisation d'une boîte expérimentale isolée), les conditions initiales et la recherche des états du système (en développant une nouvelle procédure de démarrage expérimentale). L'installation expérimentale sera également affinée pour mieux contrôler les paramètres de fonctionnement, y compris le choix du fluide caloporteur, les dimensions ou la géométrie de la cavité, et les conditions de configuration (flux de chaleur, variation de température, etc.). De plus, des chauffages latéraux seront utilisés pour simuler une source de chaleur volumétrique. Dans les premiers mois de cette phase, plusieurs configurations seront testées pour identifier celles qui présentent les meilleures performances. Les configurations les plus performantes seront celles où le système de circulation naturelle présente le plus grand nombre d'états de flux possibles, de points de bifurcation et, éventuellement, de comportements d'hystérésis. Sur la base de ces études expérimentales préliminaires (qui dureront environ 6 mois), une campagne expérimentale ciblée sera menée pendant les 3 mois restants. Les mesures incluront les données des thermocouples et les lectures PIV (Particle Image Velocimetry). L'analyse des données impliquera la reconstruction des champs de vitesses de flux et l'application d'outils d'analyse en fréquence et en phase (par exemple, la densité spectrale de puissance et l'analyse de cohérence) pour étudier les comportements oscillants du flux et permettre des comparaisons avec les simulations numériques. La possibilité de réaliser une analyse expérimentale de la stabilité sera également explorée.

Phase 2 (~9 mois) : Modélisation numérique et analyse de stabilité
Au cours de cette phase, le modèle CFD existant de la cavité plane sera adapté aux conditions observées dans les nouvelles expériences. La plupart des configurations impliqueront des régimes d'écoulement laminaire. Les champs de flux simulés seront comparés avec les mesures expérimentales pour évaluer la précision du modèle. Ensuite, pour les configurations sélectionnées, des analyses de stabilité détaillées seront réalisées à l'aide de l'outil numérique et comparées aux données expérimentales. Les résultats de ces investigations expérimentales et numériques seront documentés dans un rapport de progrès interne qui sera utilisé plus tard dans le manuscrit de la thèse.

Phase 3 (~12 mois) : Conception d'une installation expérimentale 3D et campagne expérimentale
Au cours de cette phase, le doctorant participera à la conception d'un nouveau dispositif expérimental 3D qui sera construit au Politecnico di Milano (Polimi). Étant donné que la plupart des études de cas sur la stabilité de la circulation naturelle reposent sur des dispositifs bidimensionnels, une série d’expériences sera menée à PoliMi afin de ne pas négliger les effets tridimensionnels liés aux zones de recirculation et à la turbulence locale. L’objectif est de démontrer la capacité de la méthodologie d’analyse de stabilité à traiter également des géométries tridimensionnelles. En effet, certains concepts actuels de réacteurs à sels fondus (MSR) se caractérisent par l’absence de structures internes, ce qui nécessite des études expérimentales et numériques de la circulation naturelle dans des systèmes entièrement tridimensionnels. Le dispositif sera basé sur un conteneur métallique existant, rempli de sel fondu (sel de nitrure) et équipé de résistances électriques internes simulant une génération de chaleur interne. Le puits de chaleur sera représenté par un échangeur thermique judicieusement choisi. La nouvelle installation permettra de caractériser le régime de circulation naturelle 3D dans une cavité cylindrique. Un aspect critique de la conception sera la mise en place de systèmes de mesure de température, afin de permettre l’identification des motifs d’écoulement et leur comparaison avec les résultats numériques. L’installation servira également de plateforme pour étudier les effets de la turbulence dans les systèmes à circulation naturelle, en particulier en ce qui concerne la stabilité, et pour valider la méthodologie d’analyse de stabilité.

Phase 4 (~6 mois) : Modélisation 3D et rédaction de la thèse
Au cours de cette phase, un modèle CFD de l'expérience de circulation naturelle en 3D sera développé. Ce modèle servira à la fois d’outil de pré-analyse pour guider la conception de l’expérience (par exemple, le positionnement des thermocouples et de l’échangeur thermique), et pour l’analyse post-expérimentale. Les résultats de simulation seront comparés aux données expérimentales et, si cela est pertinent, le modèle sera utilisé pour mener une analyse de stabilité. Dans la dernière partie de cette phase, le manuscrit de thèse sera finalisé en vue de la soutenance.
Références
[1] A. Pini, A. Cammi, M. Cauzzi, F. Fanale, L. Luzzi, “An experimental facility to investigate the natural circulation dynamics in presence of distributed heat sources”, Energy Procedia 101 (2016) 10–17.
[2] A. Pini, A. Cammi, S. Lorenzi, M.T. Cauzzi, L. Luzzi, “A CFD-based simulation tool for the stability analysis of natural circulation systems”, Progress in Nuclear Energy 117 (2019) 103093.
[3] J. Narvaez, A. Cammi, S. Lorenzi, P. Rubiolo, “Numerical methodology for design and evaluation of natural circulation systems for MSR applications”, International Topical Meeting on Advances in Thermal Hydraulics 2022 (ATH’22), Anaheim, USA, June 2022.
[4] J. Narvaez, P. Rubiolo, A. Cammi, S. Lorenzi, “Design of a Natural Circulation Experiment to Investigate Flow Stability”, 20th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-20), Washington, USA, August 2023.
[5] J. Narvaez, “Numerical and experimental study of the dynamic behavior of natural circulation systems using molten salts for heat removal”, PhD Thesis, Université Grenoble Alpes, I-MEP2 (November 2024).


Compétences et prérequis techniques recommandés pour les candidats :
(i) Mécanique des fluides et transfert de chaleur ; (ii) Connaissances de base en dynamique des fluides computationnelle (CFD), notamment en thermique-hydraulique ; (iii) Compréhension de base des techniques expérimentales des fluides, telles que la vélocimétrie par image de particules (PIV), et familiarité avec les instruments de mesure comme les thermocouples ; (iv) Compétences en programmation en Python et C++ ; (v) Connaissances de base en conception et sécurité des réacteurs nucléaires. Une expérience avec le logiciel OpenFOAM est un atout. Au cours du projet, l'étudiant(e) est censé(e) présenter ses travaux au moins une fois lors d'une conférence internationale dans le domaine. Il/Elle devra également publier au moins un article dans une revue internationale à comité de lecture.

Compétences linguistiques :
• Maîtrise de l'anglais : niveau avancé (C1)
• Maîtrise du français (facultatif) : niveau débutant (A1)

Contexte de travail

Le laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble (LPSC) (http://lpsc.in2p3.fr) est une unité mixte de recherche associant le CNRS-IN2P3, l'Université Grenoble Alpes (UGA) et l'école Grenoble INP, pour un effectif moyen d'environ 230 personnes. Le doctorant(e) sera affecté́(e) au groupe Physique des Réacteurs composé de 10 agents du LPSC, il (elle) travaillera dans la plateforme expérimentale FEST (Fluids Experiments and Simulations in Temperature) et sera placé(e) sous l'autorité hiérarchique directe du responsable du groupe. Ses co-directeurs de thèse seront Pablo RUBIOLO (40%) et Stefano LORENZI (50%) et le co-encadrant Nicolas CAPELLAN (10%).

Modalités de supervision de la thèse, suivi de la formation et suivi des progrès de la recherche
Le travail de thèse proposé sera réalisé dans le cadre d'une collaboration de recherche en cours entre le Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble (LPSC-CNRS/IN2P3) et le Politecnico di Milano (POLIMI). La thèse sera supervisée par P. Rubiolo du LPSC (Co-directeur, 40%), S. Lorenzi du POLIMI (Co-directeur, 50%) et co-supervisée par N. Capellan du LPSC (10%). Le doctorant passera les 18 premiers mois au LPSC (Grenoble) et les 18 mois restants au Département de l'Énergie du POLIMI (Milan). Pendant le projet, l'étudiant participera à des réunions bihebdomadaires du projet, tenues en personne à l'institution hôte et à distance avec le laboratoire partenaire. Lors de ces réunions, l'étudiant rendra compte des progrès réalisés et échangera avec les autres membres de l'équipe sur les difficultés rencontrées et les solutions possibles. Ces réunions permettront également d'améliorer les compétences en communication scientifique de l'étudiant. L'étudiant devra également participer aux réunions internationales du projet ENDURANCE, qui se tiennent deux fois par an. Au LPSC, l'étudiant bénéficiera également du soutien d'un comité ad hoc indépendant dédié au suivi du doctorat. En plus des cours offerts par les écoles doctorales de chaque institution hôte, l'étudiant est censé assister à l'école d'été organisée par le projet ENDURANCE, ainsi qu'à tout atelier pertinent pour le sujet de la thèse.


Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.