Description du sujet de thèse

Contexte : L’énergie nucléaire par fission est appelée à jouer un rôle clé dans l’exploration spatiale au cours des prochaines années. Deux grands types de réacteurs nucléaires sont généralement envisagés pour les systèmes de propulsion spatiale : la propulsion nucléaire thermique (NTP) et la propulsion nucléaire électrique (NEP). Dans le concept NTP, un fluide caloporteur (généralement de l’hydrogène liquide) est chauffé à haute température dans un réacteur nucléaire, puis détendu dans une tuyère pour produire de la poussée. Cette approche offre une poussée importante, mais pose également des défis majeurs en matière de fiabilité du combustible, de tests du réacteur et de sécurité opérationnelle. À l’inverse, le concept NEP repose sur un principe fondamentalement différent : l’énergie thermique produite par le réacteur nucléaire est convertie en électricité, laquelle alimente un système de propulsion électrique. La NEP offre une fiabilité accrue et simplifie les procédures de test et de sûreté par rapport à la NTP, mais au prix d’une poussée plus faible.

Depuis 2018, l’équipe de physique des réacteurs du LPSC Grenoble travaille sur la conception de micro-réacteurs destinés à la NEP, ainsi que sur le développement d’outils numériques spécifiquement adaptés à la modélisation de ces systèmes nucléaires. Cette équipe étudie actuellement deux concepts de réacteurs dans le cadre du projet RocketRoll [1], financé par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) : les réacteurs à sels fondus (MSR) et les réacteurs à caloducs (HPR). Pour mener ces études, deux outils de calcul sont utilisés : PRESTO et NepFOAM. PRESTO (NEP Rocket Design Tool) est un outil d’optimisation conçu pour identifier les paramètres de conception optimaux d’un concept de réacteur donné, y compris sa géométrie, ses dimensions, ses matériaux et ses technologies. Son développement se poursuit actuellement en collaboration avec le CNES (Centre National d’Études Spatiales) dans le cadre d’une thèse cofinancée. Pour réaliser des analyses détaillées du réacteur, l’équipe utilise un outil multiphysique appelé NepFOAM [2][3], qui couple numériquement OpenFOAM et SERPENT 2. OpenFOAM est une boîte à outils C++ dédiée au développement de solveurs numériques pour les problèmes de mécanique des milieux continus, notamment en dynamique des fluides (CFD), basée sur la méthode des volumes finis (FVM). SERPENT 2 est un code Monte Carlo tridimensionnel polyvalent pour les calculs de transport de neutrons. L’outil multiphysique comprend trois modules interconnectés : neutronique, thermo-hydraulique et thermo-mécanique. Divers phénomènes physiques, champs scalaires et champs vectoriels sont utilisés pour coupler ces trois modules, ce qui fait de ce couplage un aspect essentiel de la modélisation des réacteurs, particulièrement dans le cas de combustibles liquides, comme dans les MSR. Lors des simulations numériques, ces trois modules sont exécutés de manière séquentielle pour chaque région du réacteur. Pour les simulations transitoires impliquant des calculs de transport de neutrons selon la méthode quasi-statique Monte Carlo, deux pas de temps différents sont utilisés : un pas plus petit pour l’intégration des équations d’équilibre thermo-hydrauliques et de l’amplitude du flux neutronique, et un pas plus grand pour le calcul de la forme du flux neutronique avec SERPENT 2.

Réacteurs à sels fondus pour l’espace (SMSR)
Parmi les divers concepts de réacteurs nucléaires envisageables pour la NEP, les réacteurs à sels fondus (MSR) présentent des avantages intrinsèques liés à leurs caractéristiques de conception. En particulier, un MSR permet de concevoir un cœur avec une densité de puissance et une température de fonctionnement élevées, de faibles gradients de pression et de température dans le combustible, ainsi que des systèmes de contrôle de réactivité relativement simples. Ces caractéristiques sont essentielles au succès d’une conception NEP, car elles améliorent les performances globales et la fiabilité du réacteur dans une mission spatiale.

Les études menées dans le cadre du projet RocketRoll montrent qu’il sera nécessaire d’atteindre une puissance spécifique NEP (c’est-à-dire la puissance électrique produite divisée par la masse totale du système NEP) supérieure à 50 We/kg pour rendre ces systèmes compétitifs par rapport aux fusées chimiques, compte tenu des technologies actuelles et à court terme [1]. Les MSR permettent également le développement de systèmes innovants [4] pour le démarrage du réacteur, le contrôle de la réactivité et la gestion de scénarios accidentels spécifiques, comme la rentrée atmosphérique d’un réacteur chaud. De plus, ce concept peut être adapté à d'autres missions spatiales, telles que l’alimentation de surface sur la Lune ou Mars.

Cependant, concevoir un MSR pour une utilisation spatiale présente des défis techniques majeurs. Les plus critiques concernent le choix de matériaux résistants à la corrosion par les sels fondus, la gestion des produits de fission gazeux présents dans le combustible liquide, le fonctionnement des systèmes fluides en microgravité, et la mise en œuvre d’une procédure de démarrage fiable. D'autres défis communs à tous les concepts NEP incluent les questions de sûreté nucléaire (par exemple la rentrée d’un réacteur chaud et les accidents au lancement), le couplage du réacteur avec le système de conversion de puissance, la conception du radiateur thermique, et la réalisation des essais nucléaires nécessaires.

Les travaux menés dans le cadre d’une précédente thèse de doctorat ont permis d’identifier deux concepts prometteurs de MSR :(a) un MSR à spectre rapide de forte puissance (1 MWth), (b) un MSR à spectre thermique de puissance moyenne. Durant cette thèse, seul le design conceptuel du MSR à spectre rapide a été développé [5], en commençant par des analyses via PRESTO, suivies d’études détaillées en régime permanent et transitoire avec NepFOAM.

Objectif de la thèse
L’objectif de cette thèse est de développer le design conceptuel d’un réacteur pour la NEP basé sur un MSR à spectre thermique. Cette étude visera à définir les principales caractéristiques de la conception du réacteur ainsi que ses performances attendues. Les paramètres clés et les indicateurs de performance des autres sous-systèmes de la NEP (conversion d’énergie, radiateur thermique, etc.) seront également évalués. Les procédures de démarrage du réacteur feront l’objet d’une attention particulière. Les conclusions de cette thèse permettront de proposer les tests et expériences nécessaires pour augmenter le niveau de maturité technologique (TRL) du concept.

Organisation du travail de thèse
Le travail sera organisé en quatre phases principales :
Phase 1 : Définition des paramètres principaux des concepts de MSR thermiques (~6 mois)
Cette phase débutera par l’identification de deux ou trois concepts prometteurs de MSR thermique, à l’aide d’analyses réalisées avec PRESTO. Ces concepts différeront probablement par les matériaux utilisés pour le modérateur et le réflecteur, le type de sel fondu combustible et de gaine, ainsi que les dimensions des composants du cœur. Le/la doctorant(e) commencera également à se familiariser avec OpenFOAM et Serpent.

Phase 2 : Études multiphysiques détaillées sur les concepts de MSR (~18 mois)
Les configurations sélectionnées seront utilisées pour développer des modèles multiphysiques détaillés dans NepFOAM, en se concentrant principalement sur les composants du circuit combustible. Ces modèles permettront d’affiner la conception, d’identifier les limites liées aux contraintes thermiques et neutroniques, d’optimiser les conditions de fonctionnement et de proposer les modifications nécessaires. L’analyse comprendra des simulations en régime permanent et transitoire. Des calculs de burnup (irradiation) permettront de concevoir le système de contrôle de la réactivité. Des calculs de critique en cas d’inondation (hypothèse d’immersion dans l’eau) seront également réalisés. La gestion des gaz de fission et le démarrage du réacteur seront aussi étudiés.

Phase 3 : Analyse des performances du système NEP (~6 mois)
Les résultats des études précédentes seront utilisés pour évaluer les performances globales du système NEP, en prenant en compte le réacteur, les blindages, la conversion d’énergie, le radiateur thermique et le système de propulsion électrique. L’analyse visera à déterminer la puissance spécifique atteignable, la masse totale du système et les dimensions principales des sous-systèmes. PRESTO sera mis à jour avec les nouvelles données issues des phases précédentes pour effectuer des analyses d’optimisation.

Phase 4 : Conclusions, recommandations et rédaction (~6 mois)
Cette phase consistera à analyser les résultats des phases précédentes en lien avec les exigences de missions spatiales possibles : transfert LEO-GEO, missions cargo vers la Lune ou Mars, exploration interplanétaire. Elle permettra également de proposer les essais nécessaires pour faire évoluer le TRL du concept. La rédaction du manuscrit de thèse et la préparation de la soutenance seront effectuées à cette étape.

Références
[1] P. Rubiolo, N. Capellan, S. Lorenzi, R. Boccelli, A. D'Ottavio, A. Peressotti, F. Romei, A. Cuenca, A. Barco, A. Herasimenka, A. Abdin, A. Hein, “A Comprehensive Methodology for Designing a Nuclear Electric Propulsion (NEP) Concept”, 75th International Astronautical Congress (IAC), Milan, Italy, 14-18 October 2024, (2024).
[2] M. Tano, “Developement of multi-physical multiscale models for molten salts at high temperature and their experimental validation”, PhD Thesis, Université Grenoble Alpes, I-MEP2 (November 2018).
[3] J.A. Blanco, “Neutronic, thermohydraulic and thermomechanical coupling for the modeling of criticality accidents in nuclear systems”, PhD Thesis, Université Grenoble Alpes, I-MEP2 (December 2020).
[4] P. Rubiolo, F. Quinteros, N. Capellan, M. Marone, J. Giraud, F. Szmandiuk, “Molten Salt Reactor Concepts for Advanced Nuclear Electric Propulsion (NEP) Systems”, 75th International Astronautical Congress (IAC), Milan, Italy, 14-18 October 2024, (2024).
[5] F. Quinteros, P. Rubiolo, V. Ghetta, J. Giraud, N. Capellan, “Design of a Fast Molten Salt Reactor for Space Nuclear Electric Propulsion”, Nuclear Science and Engineering, 197, 1-16 (2023). 10.1080/00295639.2023.2167470.

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. Son directeur de thèse sera Pablo RUBIOLO (60%). Le co-encadrant sera Nicolas CAPELLAN (40%).
Informations complémentaires :

Connaissances techniques recommandées et compétences pour les candidats :
(i) Mécanique des fluides et transfert de chaleur, (ii) Neutronique, (iii) Conception et sécurité des réacteurs nucléaires, (iv) Programmation en Python et C++, (v) Connaissance des codes de dynamique des fluides computationnelle (Fluent, OpenFOAM, etc.) et des codes Monte Carlo de neutronique (par exemple Serpent, MCNP, etc.) est un plus. Au cours du projet, l'étudiant présentera son travail au moins une fois lors d'une conférence internationale dans le domaine. Il est également attendu que le candidat publie au moins un article dans une revue internationale.

Compétences linguistiques :
• Anglais : Niveau avancé (C1)
• Français (facultatif) : Niveau débutant (A1)


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.