Description du sujet de thèse

Utilisation des simulations de Monte-Carlo sur objets et dynamique d’amas pour prendre en compte les effets de flux

Contexte de travail

Dans le cadre de l’éventuelle poursuite d’exploitation des réacteurs nucléaires jusqu’à leurs 60 ans et au-delà, il serait utile de caractériser les microstructures typiques des aciers des composants internes des réacteurs à des dose très élevées (aux points les plus chauds, au-delà de 100 dpa, localement). Expérimentalement, atteindre de telles doses pour des irradiations aux neutrons, nécessiterait des durées d’irradiation très longues et couteuses en réacteur d’essai (Materials Testing Reactor).
C’est pourquoi, il a été réalisé à l’international de ré-irradier aux ions des échantillons initialement irradiés aux neutrons. La justification d’une telle démarche pose la problématique de la transposition ion-neutron, au cœur du programme de NEEDS « RAISIN ».
L’un des aspects primordiaux est la quantification des effets de flux. En effet, entre les flux des irradiations aux ions et les irradiations aux neutrons, on constate typiquement plusieurs ordres de grandeurs de différence entre les flux. En utilisant les irradiations aux ions pour « simuler » des irradiations aux neutrons on fait l’hypothèse que les effets du flux (à dose égale) sont faibles sur les propriétés d’intérêt (incrément de dureté, fraction volumique totale de défauts).
Si cette hypothèse parfois vérifiée expérimentalement pour de faibles écarts de flux aux neutrons, il est cependant clair que la microstructure est de nature bien différente, puisque les amas de défauts sont beaucoup plus petits et nombreux dans les conditions de flux plus élevés. Sur une gamme de flux encore plus étendue, on s’attend à ce que le mécanisme d’évolution de microstructure passe par différents régimes : d’un régime dominé par les recombinaisons entre simple paires de Frenkel (un interstitiel et une lacune tous deux issus du déplacement stable d’un atome de son site cristallin) aux très hauts flux, jusqu’à un régime piloté par les puits fixes aux flux plus faibles.
Aux flux intermédiaires se trouve un régime où les recombinaisons se font aussi entre amas de défauts ponctuels issus des cascades de déplacement, de nature identique (ce qui favorise la croissance de cette population d’amas), ou de nature opposée (ce qui inversement diminue les populations associées, par annihilation de défauts antagonistes).
Ce mécanisme de l’évolution, parfois associé au concept de « biais de production », est très dépendant des corrélations spatiales (le fait que les recombinaisons sont d’autant plus probables que les deux amas en interaction sont à une faible distance car produits dans le petit volume de la cascade) et temporelles (les durées courtes entre deux cascades qui se recouvrent les favorisant). Si les méthodes de type Monte Carlo cinétique sur objet (OKMC) prennent naturellement en compte ces corrélations, les méthodes de type dynamique d’amas (DA) en sont incapables explicitement, du fait du traitement par homogénéisation qui fait leur efficacité à simuler des temps très longs. Une voie pour bénéficier de la performance de la DA tout en prenant mieux en compte les corrélations spatiales nécessaire à la bonne reproduction des effets de flux consiste à les quantifier par OKMC, et à modifier le terme source ou des termes recombinaisons effectives pour les reproduire au mieux par DA.
S’ils sont faits pour une paramétrisation donnée, les ajustements de ces termes correctifs pourraient manquer de généralité. On peut alors envisager de les obtenir plutôt par une étude de sensibilité sur une gamme assez étendue de paramètres matériaux réalisée sur des séries de calculs OKMC. Pour ce qui est du terme source, on mettra à profit l’importante base de données de cascades dans le système FeNiCr réalisée dans le cadre d’une thèse précédente.


Activités principales
Dans le cadre d'une collaboration entre EDF (Gilles Adjanor et Christophe Domain), le CEA (Thomas Jourdan) et l'UMET (Charlotte Becquart et Andrée Debacker)
- Effectuer une recherche bibliographique approfondie sur la phénoménologie des cascades de déplacement initiées par l’irradiation
- Mettre en œuvre la méthode de description des corrélations spatiales entre défauts sur une base de données de cascades de déplacements déjà constituée
- Réaliser des grandes séries de calculs de Monte-Carlo cinétique sur objet (méthode centrale pour l’étude des réactions pilotées par la diffusion des défauts d’irradiation)
- Proposer de nouveaux modèles pour les termes source effectifs à prendre en compte dans la méthode champ moyen dite de « dynamique d’amas »


Activités associées
- Présenter les résultats lors des réunions des groupes de travail du projet RAISIN
- Communiquer les résultats scientifiques sous forme de communications à des congrès et de publications


Savoirs
- Disposer de connaissances solides en science des matériaux, thermodynamique, physique statistique, métallurgie physique et en modélisation à l’échelle atomique.
- Un peu d’aisance avec les outils statistiques
- Des connaissances des méthodes de Machine Learning et d’analyse statistique avec des librairies Python ou R seraient un plus, mais peuvent être acquises rapidement au cours de la thèse
- Maîtrise de l’anglais scientifique indispensable
- Etre à l’aise avec l’environnement type Linux/Unix, indispensable à l’exploitation HPC (calculs massifs sur des milliers de cœurs). Ces notions peuvent elles aussi être acquises rapidement.


Savoir-être
- Savoir prioriser les actions
- Disposer de qualités relationnelles et pédagogiques
- Faire preuve de rigueur et d’autonomie ; être organisé
- Avoir le sens du travail en équipe
- Savoir rendre compte



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.

Contraintes et risques

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. »
Le/la doctorant(e) sera inscrit à l’Ecole Doctorale des Sciences de la Matière, du Rayonnement et de l’Environnement de la FST, pour obtenir le grade de Docteur en sciences de matériaux.

La mission se situe dans le cadre du projet RAISIN porté par le CNRS. Le partenariat est un co-encadrement entre EDF R&D, l’UMET Lille (CNRS) et la SRMP (CEA) pour couvrir toutes les spécialités nécessaires au programme, de la dynamique moléculaire des cascades jusqu’à l’évolution de la microstructure aux temps longs par DA, passant par les échelles intermédiaires de l’OKMC.
Le contrat de thèse se fera via le laboratoire commun EDF-CNRS EM2VM (Etude et Modélisation des Mécanismes de Vieillissement des Matériaux).
Le travail se déroulera essentiellement au sein du laboratoire MMM de EDF situé sur le site des Renardières à Moret sur Loing dans le cadre du laboratoire commun EM2VM.