Thèses proposées au CEA / DAM

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1 Thèses proposées au CEA / DAM 2015 Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 1/104

2 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. 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 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! 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 l 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 Les thèses au CEA, Sujets de thèse. Thierry MASSARD Directeur scientifique du CEA/DAM Crédits photo : CEA octobre /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

3 Les centres CEA/DAM : CEA/DAM Ile-de-France Bruyères le Châtel Arpajon CEA/Valduc Is-sur-Tille CEA/Le Ripault B.P Monts CEA/Cesta B.P Le Barp CEA/Gramat B.P Gramat Une adresse mail est mise à votre disposition pour toute question d ordre général : [email protected] Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 3/104

4 Les thématiques Atmosphère, géophysique et environnement Electromagnétisme Electronique Métrologie Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation Physique des plasmas Optique et Lasers Physique de la matière condensée Physique nucléaire Chimie et science des matériaux Mécanique et thermomécanique 4/104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

5 Liste des sujets par domaine Atmosphère, géophysique et environnement...11 Caractérisation de sources acoustiques : application aux éclairs d orage...12 Propagation d une onde souffle dans des conditions non idéalisées : approche expérimentale...14 Influence de la turbulence atmosphérique sur la propagation des ondes infrasonores à grande distance...15 Migration augmentée de l'uranium dans les eaux souterraines par voie colloïdale...16 Hydrolyse et carbonatation du plutonium pentavalent en solution aqueuse à différentes températures...17 Développement d un système de mesure ultra-compact à coïncidence électron/photon pour la détection et la caractérisation de gaz rares radioactifs...18 Apport de l assimilation d observations à la prévision de la dispersion atmosphérique et des conséquences de rejets accidentels d installations industrielles...19 Apport de séries temporelles d images satellites radar à la compréhension d une image radar...20 Electromagnétisme...21 Modélisation de la susceptibilité électromagnétique des étages d alimentation d équipements électroniques en mode conduit...22 Effets combinés des agressions électromagnétiques multiples sur les fonctions électroniques...23 Modélisation précise de milieux fortement hétérogènes en domaine hyperfréquence.24 Optimisation de la compression d impulsions dans un accélérateur d électrons par une cavité radio-fréquence passive...25 Electronique...27 Nouvelles architectures modulaires d alimentations électriques pour les applications de Hautes Puissances Pulsées...28 Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 5/104

6 Etude par simulation à l'échelle atomique des effets de déplacement induits par irradiation dans les composants de la microélectronique...29 Caractérisation par calculs ab initio des propriétés des défauts ponctuels dans la silice pure et dopée...30 Métrologie...31 Etude et développement d un modèle mathématique pour la mesure et l analyse, par radiographie, des défauts géométriques de surface de microballons nécessaires aux expériences sur les lasers de puissance...32 Etude d'un nuage de particules micrométriques issu de la face arrière d'une plaque métallique soumise à un choc...33 Développement d une méthode d étalonnage de référence pour les capteurs infrason et amélioration d un calibreur acoustique infrasonore...34 Optiques multicouches pour les diagnostics dans le domaine des rayons X sur le Laser Mégajoule...36 Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation...37 Etude de l interaction écoulement-particules dans le régime supersonique...38 Dynamique non-linéaire et vibration aléatoire pour des structures comportant des incertitudes et des interfaces non-linéaire...39 Développement d un système de gestion des entrées/sorties pour un code de dynamique moléculaire classique adapté aux machines exaflopiques...40 Modélisation et simulation numérique de la rupture sous choc avec recompaction...41 Caractéristiques et utilisation des mémoires hétérogènes multi-niveaux...42 Gestion de l asynchronisme et compositions de threads spécialisés en contexte multicœurs et many-cœurs...44 Utilisation de la métamodélisation pour l analyse de fiabilité des systèmes complexes. Application aux systèmes emboîtés à entrées et sorties intermédiaires scalaires ou fonctionnelles...46 Simulation d'écoulements de Rayleigh-Taylor turbulents et réactifs à l'aide d'une méthode de Monte-Carlo eulérienne...47 Simulations hybrides de matériaux énergétiques...48 Stockage massif pour le HPC par utilisation de storage blobs...49 Turbulence générée par effet de température et de concentration /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

7 Modélisation multiéchelle du comportement des matériaux énergétiques...51 Analyse de stabilité linéaire d'écoulements d'ablation en fusion par confinement inertiel...52 Physique des plasmas...53 Instabilité de Vishniac dans les restes de supernova...54 Systèmes d'amplification de puissance pour générateurs HPP (Hautes puissances pulsées) microseconde...55 Etude de l influence des plasmas dans les diodes à électrons pour la radiographie éclair...56 Etude de la physique de base de l allumage par choc...57 Etude du chauffage électronique dans le cadre de la dynamique de chocs noncollisionnels astrophysiques...58 Étude des processus de relaxation d un matériau diélectrique irradié par une impulsion laser intense : application à la structuration de la matière par laser...59 Simulations des phénomènes hydro-radiatifs dans les variables cataclysmiques magnétiques dans le contexte de l astrophysique de laboratoire...60 Effets radiatifs et quantiques dans l'interaction laser-matière ultra-relativiste...61 Optique et lasers...63 Étude d un amplificateur laser 1J 10Hz à 1053nm...64 Endommagement surfacique et volumique de la silice avec des faisceaux laser de type LMJ...65 Etude des propriétés inédites dans le domaine dense et tiède des métaux excités par du rayonnement laser de durée sub-picoseconde...66 Contrôle de rayonnements THz intenses produits par lasers femtosecondes et applications à la détection de molécules...67 Physique de la Matière Condensée...69 Etudes d équations d état en compression quasi-isentropique...70 Simulation de la post combustion turbulente des produits de détonation avec l air...71 Equation d état thermodynamique des produits issus de déflagrations et de détonations d explosifs condensés poreux : étude théorique et expérimentale...72 Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 7/104

8 Étude de l endommagement des matériaux énergétiques soumis à une agression d origine mécanique de faible amplitude...73 Étude ab-initio de transitions de phases dans des oxydes et métaux fortement corrélés74 Effets des corrélations électroniques et du couplage spin-orbite le long de la série des oxydes d'actinides...75 Calcul ab initio de spectres de phonons en température et équation d'état...76 Synthèse de polymères d azote par pression comme propergol du futur...77 Physique Nucléaire...79 Description unifiée des états nucléaires de type cluster et liquide quantique à l'aide de fonctionnelles de la densité...80 Couplage au continuum et noyaux exotiques...81 Mesure des rendements isotopiques de fission de l'uranium 236 sur SOFIA au GSI...82 Moments magnétiques des états isomères produits par fission...83 Chimie et science des matériaux...85 Développement d un procédé de synthèse et de mise en forme par moulage d aérogels inorganiques...86 Développement et mise en œuvre par extrusion de membranes nanocomposites hybrides pour électrolyseur...87 Modélisation de la microstructure et des propriétés d un revêtement plasma en relation avec les paramètres du procédé...88 Conception et réalisation, par fabrication additive, de matériaux cellulaires architecturés...89 Développement de nouveaux revêtements antireflets, à base de solutions sol-gel aqueuses, pour le LMJ...90 Détection de stupéfiants dans l haleine à l aide de capteurs chimiques...91 Modélisation moléculaire appliquée à la recherche de nouveaux électrolytes liquides pour batteries...92 Séparation des isotopes de l hydrogène sur matériaux adsorbants...93 Modélisation du vieillissement des tritiures métalliques : application au tritiure de palladium /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

9 Mesure directe de traces d actinides en solution par spectrométrie alpha non destructive...96 Propriétés des lanthanides et des actinides en sels fondus à base CaF2 : application au traitement de résidus...97 Evaluation des constantes de stabilité dans la série des actinides (Pu, Pa, Am, Cm, Cf) des ligands organiques simples (MIDA, CDTA, LIHOPO)...98 Mécanique et Thermomécanique...99 Comportement de matériaux carbonés sous sollicitations dynamiques intenses : analogie entre irradiations laser et impacts hypervéloces Modélisation thermomécanique d un matériau composite d architecture 3D à haute température Etude de la rupture de cylindres métalliques en expansion dynamique : du développement de la striction à la fragmentation Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 9/104

10 10/104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

11 Le RIPAULT ILE DE FRANCE VALDUC CESTA GRAMAT Atmosphère, géophysique et environnement Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 11/104

12 Atmosphère, géophysique et environnement Caractérisation de sources acoustiques : application aux éclairs d orage Les orages sont présents partout dans le monde. Les éclairs émettent des ondes acoustiques (tonnerre) et électromagnétiques (optiques et radios). De nombreuses études ont été menées sur la compréhension du tonnerre entre les années 60 et le milieu des années 80. Elles concernaient principalement : la caractérisation des signaux (amplitude, contenu fréquentiel ), la localisation des décharges dans les nuages eux-mêmes alors qu elles sont invisibles depuis le sol, et la modélisation. Parallèlement à ces études, les progrès dans la mesure électromagnétique ont permis de mettre en place des systèmes de localisation en latitude et longitude des éclairs. Depuis les années 2000, des systèmes plus complexes permettent d avoir une vue 3D des décharges orageuses mais leur couverture spatiale est plus réduite. Ces localisations servent de référence. Différents modèles de source pour expliquer le tonnerre ont été proposés depuis 50 ans. A ce jour, ils ne permettent pas d expliquer l intensité du signal infrasonore (fréquence du signal inférieure à 20 Hz). Le Département analyse surveillance environnement (DASE) du CEA a pour mission de participer à la vérification du respect du traité d interdiction complet des essais nucléaires (TICE). L'installation d'un réseau international de capteurs est en voie d'achèvement dans cet objectif. Il est composé, entre autres, de capteurs infrasonores qui mesurent des ondes acoustiques basse fréquence. Le DASE développe des techniques de mesure et d analyse pour différentier un événement d origine nucléaire d autres événements d origine naturelle (séisme, houle, éclair, éclipse ) ou anthropogénique (explosion chimique ). Depuis plusieurs années, le CEA/DASE participe à différentes campagnes de mesure acoustique des éclairs et de phénomènes lumineux transitoires associés. Ces différentes campagnes ont permis d étudier plus en détail les signaux émis par les éclairs. Très récemment, le CEA/DASE a participé à l automne 2012 dans la région des Cévennes à une campagne européenne de mesure d éclairs d orage dans le cadre du projet HYMEX (Hydrological cycle in the Mediterranean EXperiment, De nombreux instruments ont été déployés dont un réseau de mesure acoustique par le CEA/DASE et, pour la première fois en Europe, un système électromagnétique de localisation 3D des décharges. Nous disposons donc d une base de données unique et très riche pour la compréhension des signaux acoustiques des éclairs. En parallèle de ces activités, l'institut Jean Le Rond d'alembert, Unité Mixte de Recherche 7190 du CNRS et de l'université Pierre et Marie Curie, développe au sein de son équipe MPIA (Modélisation, Propagation et Imagerie Acoustique) des activités de modélisation théorique et numérique de la propagation d'ondes de choc acoustique en environnement atmosphérique. Ces activités ont été initiées dans les années 1995 pour des applications aéronautiques (bang des avions supersoniques, bruit BSN des moteurs), notamment dans le cadre européen (coordination du projet européen SOBER et participation aux projets européens HISAC, ATLLAS et ATLLAS II, contrats avec les sociétés Airbus, Dassault Aviation, et avec la DGA). Elles ont donné lieu à de nombreuses publications dans des RICL (JASA, AIAA J., JFM, Wave Motion, PRL, PRE ). Elles ont été récemment étendues à de nouvelles applications liées à la détection et la caractérisation de sources géophysiques (éclairs, météoroïdes ). L'Institut et l'équipe MPIA développent notamment des logiciels de propagation acoustique non linéaire d'ondes de choc en milieu hétérogène avec écoulement. Dans cet objectif, l'institut Jean Le Rond d'alembert et le CEA/DASE sont notamment liés par le Laboratoire de Recherche Conventionné LETMA (convention en cours de signature). Objectif de la thèse : Une précédente thèse (thèse de Louis Gallin, CEA et Université Pierre et Marie Curie, Institut Jean Le Rond d'alembert, UMR CNRS 7190) qui s est achevée en mai 2014 a permis de procéder à une première exploitation des données de la campagne HyMeX ainsi que de développer un code de propagation 2D (Flhoward2D) adapté aux conditions atmosphériques particulières d un système orageux (propagation non linéaire d'ondes de choc acoustique, prise en compte de la météorologie avec vent stratifié). 12/104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

13 Les premières conclusions de ce travail permettent de montrer la très grande complémentarité des mesures réalisées à l automne 2012 et en particulier l apport des mesures acoustiques. Il est aussi montré que ce problème était pleinement 3D en ce qui concerne la source. En parallèle, une autre thèse (thèse de David Luquet, Université Pierre et Marie Curie, Institut Jean Le Rond d'alembert, UMR CNRS 7190) actuellement en cours (octobre 2012-fin 2015) développe et valide une version 3D parallèle (Flhoward3D) du code de propagation précédemment mentionné. Pour aller plus loin dans la caractérisation, l utilisation de moyens de simulation 3D (Flhoward 3D ou tracé de rayon non linéaire 3D) est donc nécessaire. La thèse proposée ici aura pour objectif de caractériser la source à partir des enregistrements et des informations fournies par les codes de propagation. On essaiera notamment d identifier clairement les paramètres de la source qui sont caractérisables uniquement avec les mesures infrasonores, et ceux qui permettent d affiner les résultats obtenus par d autres méthodes (par exemple électromagnétique). L incertitude liée à la propagation et la complexité du milieu de propagation (météorologie, turbulence atmosphérique, topographie) sera évaluée. Déroulement de la thèse : 1. Traitement de données des mesures éclairs dont traitements statistiques, construction d événements de référence (i.e. explosions mesurées dans le cadre de l ANR Prolonge) et validation des modèles (sources + propagation). 2. Elaboration d un modèle de sources 3D champ proche, et d un modèle de source équivalent pour la propagation à grande distance. 3. Propagation en champ proche et à grande distance à l aide de moyens de simulation avec météorologie réaliste. Les moyens de simulation utilisés seront ceux existant à l UPMC (Flhoward3D) et au CEA (tracé de rayon non linéaire 3D), comparaison sur les événements de référence. Une analyse statistique pourra également être mise en place pour la validation si nécessaire. 4. Caractérisation de la source en utilisant les résultats des points précédents. Le travail conjuguera des activités nécessitant le recours à l'analyse statistique de données, au traitement du signal ainsi que l utilisation de logiciels (simulation de la propagation, de la source ). Directeur de thèse et école doctorale : François Coulouvrat (DR CNRS, Institut Jean Le Rond d'alembert, UPMC) ED SMAER Encadrant CEA : Thomas Farges (Ingénieur-Chercheur, CEA/DIF) Contacts : [email protected] CEA/DAM Ile de France et [email protected] Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 13/104

14 Atmosphère, géophysique et environnement Propagation d une onde souffle dans des conditions non idéalisées : approche expérimentale Depuis quelques années, dans le domaine de la sécurité pyrotechnique, on constate un usage croissant de la simulation numérique. Il convient alors d établir finement des protocoles de calculs dont la validation repose sur des expériences dont les données sont trop souvent insuffisantes vis-à-vis de scénarios d intérêt de plus en plus réalistes et donc complexes. La propagation de l onde de souffle issue d une explosion pour diverses natures de sources a été largement étudiée dans le passé dans les conditions dites idéalisées : explosion au-dessus d un sol plat, supposé parfaitement réflecteur, et en présence d une atmosphère homogène. A nature de source explosive connue, l évolution des caractéristiques mécaniques de l onde peut alors être décrite avec confiance et assez simplement. Dans ces conditions idéalisées, les résultats expérimentaux issus de la littérature participent à la validation d outils de simulation (code et ses conditions physiconumériques d emploi). Cependant, lorsqu il s agit de valider un outil de simulation de type HPC (Haute Puissance de Calcul) employé dans des conditions non-idéales, par exemple en présence d un obstacle (relief, barrière de protection, bâtiment ) avec des conditions particulières de surface/contact et/ou pour des conditions atmosphériques non-homogènes, les modèles d évolution en conditions idéalisées ne suffisent plus. Il convient alors d acquérir de nouvelles données expérimentales pertinentes et les plus contraignantes possibles afin qu elles participent à la validation des outils de simulations pour la source explosive d intérêt. Objectif de la thèse : L objectif de cette étude est de concevoir et de réaliser des expériences spécifiques avec un ou des explosifs de substitution à une nature de référence, a priori de type TNT (ou un de ses équivalents), afin de disposer de données expérimentales novatrices tant par les scénarios étudiés que par la richesse, la quantité et la précision des mesures. Ces expériences seront mises au point en conditions idéalisées et en conditions non-idéalisées. Les premières constitueront une base de données de référence. Les éléments non-idéaux introduits un par un permettront alors, par comparaison à l expérience idéalisée, de mettre en avant des différences d effets sur l onde de souffle et ouvriront la voie à la proposition de modèles simplifiés. Les explosions envisagées se situeront pour certaines au sol et pour d autres au-dessus du sol afin d obtenir des régimes de réflexion de type onde de Mach. Déroulement de la thèse : D un point de vue métrologique, deux types de mesures seront systématiquement réalisées. D une part des mesures ponctuelles en espace qui permettront d acquérir a minima des historiques de surpression statique et d autre part des mesures globales constituées de visualisations des ondes de souffles incidentes et réfléchies. Pour toutes les méthodes de mesures qui seront employées, le développement de méthodes de post-traitements avancées des différentes données acquises fera partie du travail de recherche demandé. Les expériences à concevoir et à mettre en œuvre seront complémentaires de celles disponibles dans la littérature. Le volet bibliographique de cette thèse constituera donc, les premiers mois, une part importante du travail demandé. Le doctorant apportera un soin tout particulier à l équivalence d effets entre les différentes natures de source au moins sur l évolution de la pression crête de l onde de souffle, afin de rendre les expériences réalisées les plus représentatives et donc les plus contraignantes vis-à-vis de la nature de source de référence. Directeur de thèse et école doctorale : Isabelle Sochet (école doctorale de l université d Orléans) Contacts : [email protected], [email protected] CEA/DAM Ile de France /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

15 Atmosphère, géophysique et environnement Influence de la turbulence atmosphérique sur la propagation des ondes infrasonores à grande distance 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. Objectif de la thèse : La propagation des ondes infrasonores est fortement influencée par les conditions atmosphériques à l'échelle globale mais également par les petites structures de l'atmosphère. Ces hétérogénéités, 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 Déroulement de la thèse : 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. 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/DAM Ile de France Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 15/104

16 Atmosphère, géophysique et environnement Migration augmentée de l'uranium dans les eaux souterraines par voie colloïdale La connaissance des processus de migration de l uranium dans les milieux souterrains est un enjeu majeur pour l évaluation des risques environnementaux associés aux activités anciennes ou actuelles d'installations nucléaires en vue d'anticiper et gérer un impact environnemental potentiel. Ce transfert est habituellement décrit comme fortement contrôlé et ralenti par les réactions d'adsorption. La présence de ligands sous forme colloïdale est susceptible d'augmenter considérablement la mobilité de l'uranium dans les milieux naturels. La capacité de ces colloïdes à transporter l'uranium rapidement sur de longues distances va dépendre de leur origine, de leur composition, de leur structure, de leur stabilité et de leur réactivité, ainsi que de leur capacité à complexer l'uranium de manière forte et irréversible. Les faibles concentrations en colloïdes dans les eaux souterraines et les rapports molaires polluant/ligand très faibles sont de plus autant de difficultés à la détection et à la caractérisation du transport colloïdal de polluant dans les eaux souterraines. Les protocoles d'extraction des phases colloïdales depuis les sols ou ceux destinés à concentrer les colloïdes depuis un échantillon d'eau souterraine ne sont pas encore optimisés pour assurer à la fois un bon rendement d'extraction et une bonne conservation de l'intégrité des phases colloïdales. Le dimensionnement des processus colloïdaux, et leur intégration au sein d'un modèle numérique simulant le transfert des polluants en couplant géochimie et transport, permettront de disposer à terme d'un outil prédictif, et ainsi d'un appui important dans la gestion des risques environnementaux, qui justifie la réalisation de ce travail de recherche. Objectif de la thèse : L'objectif de ce travail de recherche est de construire un modèle numérique simulant le transfert colloïdal de l'uranium dans un milieu naturel en se basant sur un dimensionnent précis à la fois des réactions chimiques de complexation de l'uranium par les colloïdes, et des processus spécifiques régissant le transfert des colloïdes dans un milieu récepteur poreux ou fracturé, avec un recalage des simulations numériques sur des données expérimentales et de terrain. Cet objectif nécessite dans un premier temps de concevoir et de valider un protocole de pré-concentration permettant d isoler une quantité suffisante de colloïdes depuis un échantillon d eau souterraine optimisant le rendement d'extraction et garantissant les meilleures conditions de conservation des colloïdes. Dans un deuxième temps, les phases colloïdales issues de sols et d'eaux souterraines provenant d'un site d'intérêt seront fractionnées et caractérisées pour la détermination de leur structure supramoléculaire, de leur composition et de leur réactivité. Dans un troisième temps, la spéciation de l'uranium et son association avec les colloïdes naturels sera déterminée par des techniques spécifiques. La mobilité comparée des colloïdes et de l'uranium ainsi que la compréhension des mécanismes de filtration propre au milieu récepteur seront ensuite abordées expérimentalement par la réalisation d'essais de migration en colonnes. Le dimensionnement et la prise en compte de ces processus colloïdaux au sein d'un modèle numérique simulant le transfert des polluants en couplant géochimie et transport permettront de disposer à terme d'un outil prédictif, et ainsi d'un appui important dans la gestion des risques environnementaux, qui justifie la réalisation de ce travail de recherche. Déroulement de la thèse : Les 4 premier mois (to à to+4 mois) seront consacrés d'une part à la bibliographie, d'autre part à la formation à la manipulation des codes de géochimie-transport CHESS et HYTEC. Les 4 mois suivants (to+4 mois à to+8 mois) seront consacrés à la conception, la réalisation et la validation d'un protocole pilote pour la concentration et l'extraction des phases colloïdale depuis une eau souterraine. La période to+8 mois à to+20 mois sera consacrée à la caractérisation physique et chimique à l'échelle macroscopique et à l'échelle supramoléculaire sur échantillons discrets de colloïde (As-Fl-FFF et/ou HPLC couplée à analyses MALS, DLS, spectrométrie UV ou ICP-MS. Orbitrap. Imagerie en microscopie électronique (MET, nano-sims) et de leur association avec l'uranium (SLRT, Orbitrap, couplage As-Fl-FFF ou HPLC et ICP-MS. Absorption X (EXAFS/XANES) en phase liquide). La période to+20 mois à to+28 mois sera consacrée à la réalisation des essais de transport colloïdaux en colonne, avec caractérisations en ligne. Enfin, les huit derniers mois (to+28 mois à to+36 mois) seront consacrés à la réalisation des modélisations, et à la rédaction de la thèse et d'articles scientifiques. Contact : Pierre Crançon CEA/DAM Ile de France [email protected] /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

17 Atmosphère, géophysique et environnement Hydrolyse et carbonatation du plutonium pentavalent en solution aqueuse à différentes températures La migration du plutonium dans l environnement dépend de ses interactions avec les différents constituants présents en solution, et en particulier les agents complexants inorganiques et organiques. Dans l environnement, la forme prédominante dans les conditions de surface (eau de mer, eau de surface) en solution est le plutonium pentavalent. C est une des formes les moins réactives et les plus mobiles. A ce titre, il est fondamental de connaître sa spéciation c est-à-dire sa répartition parmi toutes les formes chimiques présentes dans l échantillon environnemental et particulièrement les formes inorganiques majoritaires que sont les hydroxydes et les carbonates. Aujourd hui, il n existe que très peu de données accessibles, la majeure partie ayant été obtenue par S. Topin (DASE) lors de sa thèse. Il manque encore les paramètres thermodynamiques (enthalpie et entropie) des réactions avec les carbonates et le jeu complet pour les réactions d hydrolyse (constantes de stabilité à différentes températures). En effet, le plutonium est présent partout sur la terre, dans des régions à températures nettement différentes. Il est donc important de pouvoir calculer la spéciation du plutonium pentavalent sur des échelles de température étendues. Objectif de la thèse : L étudiant sera donc amené à évaluer ces constantes de stabilité, ainsi que les enthalpies et entropies de réaction pour 2 ligands : CO32 et OH. La stabilité du plutonium pentavalent n étant assurée qu à l échelle des ultra-traces (< 10 9 M), la technique de spéciation EC-ICPMS sera utilisée. En effet, le couplage électrophorèse capillaire spectrométrie de masse couplée à une source plasma générée par induction (EC-ICPMS) est une technique d une extrême sensibilité (limite de détection de M pour le plutonium) qui a été développée dans le laboratoire et qui permet de séparer les espèces en fonction de leur mobilité électrophorétique et de les caractériser par leurs temps d élution. Pour valider les résultats, les expériences seront réalisées simultanément avec du neptunium pentavalent, élément pour lequel les données thermodynamiques validées sont plus nombreuses. La principale difficulté de ce sujet est l étude de l hydrolyse du plutonium pentavalent en raison de la présence de gaz carbonique dans l atmosphère. Ce dernier conduit à une carbonatation des solutions en milieu basique et donc à une interférence lors de la détermination des constantes d hydrolyse. Les expériences devront donc être réalisées en atmosphère inerte, y compris lors de la séparation électrophorétique. Aujourd hui la seule installation opérationnelle en boîte-à-gants est située à Karlsruhe (INE). La collaboration est déjà engagée avec le laboratoire pour accueillir ces expériences. Les missions (hébergement et déplacement) pourront être financées par la communauté européenne car le laboratoire fait partie des «Pool facility» du réseau européen Talisman Déroulement de la thèse : Synthèse bibliographique : 2 mois Maîtrise des techniques de séparation et de mesure : 10 mois Estimation de constantes de stabilité : 1 ½ an Rédaction du manuscrit : 6 mois Directeur de thèse et école doctorale : J. Aupiais Ecole doctorale Paris XI Contact : J. Aupiais CEA/DAM Ile de France Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 17/104

18 Atmosphère, géophysique et environnement Développement d un système de mesure ultra-compact à coïncidence électron/photon pour la détection et la caractérisation de gaz rares radioactifs 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. Objectif de la thèse : La détection et la caractérisation des radioxénons sont aujourd hui réalisées 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. Déroulement de la thèse : 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 Contacts : G. Douysset, G. Le Petit CEA/DAM/Ile de France /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

19 Atmosphère, géophysique et environnement Apport de l assimilation d observations à la prévision de la dispersion atmosphérique et des conséquences de rejets accidentels d installations industrielles 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. Objectif de la 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. Déroulement de la 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 T 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 T mois à T 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 T mois à T mois sera consacrée et 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. Directeur de thèse et école doctorale : Choix non arrêtés à ce jour Contact : Patrick Armand CEA/DAM Ile de France Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 19/104

20 Atmosphère, géophysique et environnement Apport de séries temporelles d images satellites radar à la compréhension d une image radar Grâce aux lancements de constellations de satellites radar, nous avons aujourd hui accès à de longues séries temporelles d images satellites SAR (Synthetic Aperture Radar) sur une zone d étude. Par nature, ces images dépendent de l interaction d une onde radar avec le sol, c'est-à-dire de la réponse des réflecteurs à l onde, à l échelle de sa longueur d onde (quelques cm). De ce fait, l'interprétation des images radar est souvent complexe : en effet, suivant l'orientation d'un objet par rapport à l'onde, celui-ci peut apparaître très brillant comme très sombre. Par ailleurs, la résolution des capteurs actuels (métrique) étant bien meilleure que celle des capteurs de la génération précédente (décamétrique), les modélisations des phénomènes physiques en jeu doivent évoluer. Enfin, la géométrie radar dépendant du temps d'aller-retour de l onde entre le satellite et la cible, un pixel peut contenir l écho de plusieurs éléments réflecteurs situés à des hauteurs différentes (par exemple le toit et la façade d un bâtiment) mais à équidistance du satellite. Malgré cette complexité, différentes techniques d'imagerie radar donnent des informations d une très grande précision. L'interférométrie permet par exemple de mesurer la déformation du sol avec une précision centimétrique par la mesure de la phase interférométrique. Par ailleurs, la polarimétrie radar apporte une meilleure compréhension de phénomènes locaux particuliers (effets d'orientation des bâtiments, mécanisme de double rebond). Elle permet également, sur des séries temporelles, de diminuer le bruit du signal de phase interférométrique et de séparer dans un même pixel les contributions de plusieurs diffuseurs à des hauteurs différentes dont les mécanismes électromagnétiques associés sont différents (simple diffusion, rebond, etc.). Enfin, la technique de tomographie SAR permet également de différencier, au sein d un même pixel, la contribution de différents réflecteurs : elle donne une vision 3D des images radar, améliorant nettement l interprétation des images radar. La tomographie SAR différentielle permet même de mesurer les différentes vitesses de ces réflecteurs appartenant à un même pixel. Objectif de la thèse : L objet de la thèse est de mieux comprendre le contenu de l imagerie radar et d améliorer son interprétation en appréhendant la complémentarité d approches récentes ou éprouvées telles que la polarimétrie radar, la tomographie SAR et l interférométrie. A terme, l examen des domaines d emploi de ces techniques et l apport de leur mise en commun dans un cadre théorique unifié devra déboucher sur la faisabilité d outils opérationnels. Pour cela, des données synthétiques seront produites grâce à un simulateur d images radar. Cela permettra de tester les différentes techniques précédemment citées tout en connaissant la vérité terrain : les performances respectives des différentes méthodes, leurs limites et leur complémentarité pourront ainsi être établies. Déroulement de la thèse : La thèse comportera plusieurs volets, avec, en premier lieu, une formation à l imagerie radar accompagnée d une étude bibliographique sur l'interférométrie radar, la tomographie SAR et la polarimétrie. Le candidat pourra ensuite mettre en place une chaîne de traitement de tomographie SAR, et utiliser des techniques de polarimétrie. Ces différentes techniques seront appliquées à un jeu de données synthétique puis à un jeu de données réel. Profil du candidat : spécialité en traitement du signal et des images, solide formation en mathématiques, anglais lu couramment. Directeur de thèse et école doctorale : Jean Marie Nicolas (Télécom ParisTech) Contact : Béatrice Pinel-Puysségur CEA/DAM Ile de France [email protected] /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

21 Le RIPAULT ILE DE FRANCE VALDUC CESTA GRAMAT Electromagnétisme Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 21/104

22 Electromagnétisme Electromagnétisme Modélisation de la susceptibilité électromagnétique des étages d alimentation d équipements électroniques en mode conduit 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. Objectif de la thèse : L objectif de la thèse est d élaborer une modélisation (méthodologie associée et nature du modèle lui-même) pour la susceptibilité électromagnétique d équipements électroniques et plus particulièrement pour la vulnérabilité des étages d alimentation des équipements lorsqu ils sont soumis à des agressions électromagnétiques de type conduites, c'est-à-dire résultant du couplage de l onde électromagnétique avec le câblage conduisant à l équipement. Il s agira notamment : d aborder, au travers d une étude bibliographique, les différentes topologies d alimentation électronique, les technologies utilisées pour les différents 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 paramètres constitutifs des équipements qui influent ou non sur les événements de défaillance, d élaborer les modèles de susceptibilité et les éventuels outils associés à des fins de prédiction du comportement électromagnétique d équipements électroniques d intérêt. Ces travaux s appuieront sur la mise en œuvre d outils de simulation numérique du domaine de l électromagnétisme et d outils de simulation de circuits électroniques mixtes (de type SPICE), ainsi que sur la réalisation d expérimentations d injection fort niveau sur des matériels divers. Déroulement de la thèse : Le doctorant conduira une étude bibliographique et une analyse critique des publications françaises et étrangères sur le sujet. A son issue, il proposera une sélection des composants à étudier et des agressions à considérer (incluant une définition des agressions électromagnétiques fournie par le CEA/Gramat). Il établira ensuite un plan d expérience visant à mettre en évidence les paramètres prépondérants permettant de comprendre les mécanismes de destruction potentielle des composants vis-à-vis de ces agressions électromagnétiques. Sur ces bases, il établira un protocole d expérimentations destiné à déterminer le comportement d un composant donné vis-à-vis de ces agressions électromagnétiques, puis à élaborer les modèles de susceptibilité d équipements électroniques d intérêt. Directeur de thèse et école doctorale : ENSEEIHT Toulouse ou IEMN Lille ou Université de Clermont-Ferrand ou IETR Rennes ou Université de Limoges Contact : Frédéric Puybaret CEA/Gramat /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

23 Electromagnétisme Effets combinés des agressions électromagnétiques multiples sur les fonctions électroniques La dépendance de plus en plus grande des systèmes modernes au bon fonctionnement de composants électroniques et optroniques d une part et la progression de l utilisation des ondes électromagnétiques d autre part conduit à s interroger sur les effets de la variété de ces dernières sur les circuits électroniques. Ce sujet est actuellement couvert en termes d environnement de fonctionnement par les spécialistes de la compatibilité électromagnétique. Il est également abordé sous un angle différent par la Défense dans le domaine des armes à énergie dirigée. Cependant la question de l éventuel vieillissement accéléré de composant soumis à des champs électromagnétiques multiples et réguliers, et quelques fois intenses, est mal cernée. Objectif de la thèse : L objet de la thèse est de caractériser l évolution dans le temps du comportement et des caractéristiques des composants électroniques soumis à des agressions électromagnétiques multiples et d évaluer l impact des dégradations éventuelles sur les fonctions électroniques qui leurs sont associées. Il s agit donc de vérifier les différents paramètres intrinsèques des composants mais également de surveiller leur état fonctionnel lorsque ces composants sont soumis à des agressions électromagnétiques récurrentes. Plusieurs types de composants représentatifs des familles de composants utilisées dans les systèmes électroniques actuels seront étudiés au regard des différentes familles d agressions électromagnétiques. Une attention particulière sera portée sur la famille des agressions électromagnétiques intentionnelles. Déroulement de la thèse : Le doctorant conduira une étude bibliographique et une analyse critique des publications françaises et étrangères sur le sujet ; à son issue, il proposera une sélection des composants à étudier et des agressions à considérer (incluant une définition des agressions électromagnétiques intentionnelles fournie par le CEA/Gramat). Il établira ensuite un plan d expérience visant à mettre en évidence les paramètres prépondérants du phénomène de vieillissement vis-à-vis de ces agressions électromagnétiques. Sur ces bases, il établira un protocole d expérimentations destiné à déterminer le comportement d un composant donné à la suite de diverses agressions électromagnétiques. Directeur de thèse et école doctorale : ENSEEIHT Toulouse ou IEMN Lille ou Université de Clermont-Ferrand ou IETR Rennes ou Université de Limoges Contact : Patrick Hoffmann CEA/Gramat Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 23/104

24 Electromagnétisme Modélisation précise de milieux fortement hétérogènes en domaine hyperfréquence 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. Objectif de la thèse : 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. Déroulement de la thèse : 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 CEA/CESTA [email protected] /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

25 Electromagnétisme Optimisation de la compression d impulsions dans un accélérateur d électrons par une cavité radio-fréquence passive ELSA est une installation du CEA reposant sur un accélérateur linéaire radio-fréquence d électrons à 19 MeV. Les charges accélérées, de l ordre de 1 nc, réparties sur 30 ps, sont cadencées à 72 MHz pendant environ 100 µs. Afin d élargir le champ d applications de l installation (caractérisation de détecteurs dans des domaines spectraux très variés), nous souhaitons fonctionner à fort courant moyen et à fort courant crête, en portant la charge des paquets à 5 nc (à énergie cinétique plus faible) et en réduisant simultanément leur durée aux environs de 5 ps (soit un courant crête de l ordre de 1 ka). Objectif de la thèse : Pour obtenir cette forte augmentation de charge et de courant crête, il est nécessaire de travailler avec des paquets longs et de les comprimer après accélération. Pour cela, on crée une variation temporelle en énergie puis on injecte les paquets dans un système de dipôles magnétiques pour regrouper les particules. La compression est optimale si le champ accélérateur dépend linéairement du temps pendant le passage de l impulsion. Pour linéariser le champ sinusoïdal RF, il est classique d utiliser une cavité décélératrice à une harmonique de la fréquence de base. Cela ne fonctionne pas à très fort courant moyen. L objectif de la thèse est d étudier une solution alternative consistant à créer un champ décélérateur par le passage des impulsions elles-mêmes dans une cavité résonante, puis d étudier l effet de compression obtenu alors dans le système magnétique. Déroulement de la thèse : Etude théorique d un système de compression temporelle de paquets d électrons et de la linéarisation du champ électrique accélérateur. Etude théorique du couplage entre le faisceau d électrons et une cavité pour en définir au mieux les caractéristiques. Définition et commande d un prototype d étude. Etude théorique et expérimentale de la dynamique de faisceau dans l ensemble du système (cavités accélératrices et décélératrice, aimants à gradient de champ constant), en utilisant des codes existants ou en développant un nouveau code si le besoin s en fait sentir. Une attention toute particulière devra être accordée aux effets de charge d espace, critiques à ce niveau élevé de courant. Comparaison et validation avec des expériences sur ELSA. Etude théorique et expérimentale des effets de champ de sillage le long de l accélérateur et leurs influences sur le comportement des paquets d électrons. Directeur de thèse et école doctorale : Olivier NAPOLY - Ecole doctorale MIPEGE Contacts : P. Balleyguier V. Le Flanchec CEA/DAM Ile de France Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 25/104

26 26/104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

27 ILE DE FRANCE VALDUC Le RIPAULT CESTA GRAMAT Electronique Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 27/104

28 Electronique Nouvelles architectures modulaires d alimentations électriques pour les applications de Hautes Puissances Pulsées Un grand nombre d applications nécessite des alimentations électriques de très fortes puissances crêtes (> MW) pendant des temps courts (ns - ms). Le principe de ces fortes puissances électriques pulsées consiste à emmagasiner de l énergie électrique souvent sous forme capacitive pendant un temps relativement long, puis à la restituer très rapidement vers une charge adaptée à l application envisagée. Objectif de la thèse : L objet de cette thèse est de travailler sur la recherche de solutions novatrices en s appuyant sur le développement et la modélisation de nouvelles architectures permettant la standardisation ou l homogénéisation de la conception des alimentations dans le domaine des Hautes Puissances Pulsées (HPP). L objectif est, pour tout nouveau projet, de limiter les coûts d étude et de développement sur la partie alimentation pour les consacrer essentiellement aux nouvelles applications. Ceci nécessite de concevoir des architectures d alimentation modulaires, basées sur des composants unitaires qui respectent les critères suivants : Association en parallèle pour répondre au critère de courant, Association en série pour répondre au critère de tension, Composants les moins spécifiques possibles. Afin de garantir la fiabilité de ces systèmes et une éventuelle tolérance aux pannes, des études particulières sont indispensables. En particulier les couplages entre modules et la prise en compte des éléments parasites seront étudiés. Une ou plusieurs validations expérimentales sont envisagées sur des besoins génériques ou pour des programmes en cours. Déroulement de la thèse : De septembre 2015 à aout 2018, sur le site du CESTA principalement. Directeur de thèse et école doctorale : Laurent Pecastaing Laboratoire SIAME, Université de Pau et des pays de l Adour Contact : Bruno Cassany CEA/CESTA [email protected] /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

29 Electronique Etude par simulation à l'échelle atomique des effets de déplacement induits par irradiation dans les composants de la microélectronique L irradiation de composants microélectroniques va entraîner différents types de dégradations. Celles-ci peuvent avoir des conséquences négatives sur leur durée de vie et leur fiabilité. Une des causes de ces effets est le déplacement atomique consécutif à l impact d une particule incidente. Ce déplacement va générer la formation de cascades de défauts qui vont modifier les propriétés des matériaux constituant le composant et vont dicter sa réponse macroscopique. Les propriétés de ces cascades peuvent varier selon différents paramètres : l énergie et le type de la particule incidente, le procédé de fabrication, la nature des matériaux, leurs épaisseurs, le dopage... Bien que ces phénomènes de déplacement atomique aient été étudiés expérimentalement de manière intensive depuis plusieurs années, une caractérisation claire de leur dynamique n a jamais été totalement élaborée. La simulation à l échelle atomique peut alors apporter des réponses détaillées sur ces processus. Elle va notamment permettre d étudier la formation et la dynamique des cascades et de mesurer le rayon d influence de la particule incidente. De plus, l utilisation de méthodes quantiques de type ab initio offre la possibilité d accéder à la variation de la structure électronique du matériau au cours des déplacements. Cette structure est très importante car la création de certains défauts au cours des déplacements atomiques va modifier fondamentalement les propriétés du matériau en introduisant des niveaux plus ou moins profonds dans sa bande interdite. Ce sont ces niveaux, qui, selon leur répartition et leur nature, vont expliquer la réponse électrique du composant et qui peuvent conduire à son dysfonctionnement total. Objectif de la thèse : Cette thèse a pour objectif de caractériser à l échelle atomique les phénomènes physico-chimiques impliqués dans ces effets de déplacement afin d améliorer le durcissement des composants soumis à des irradiations. Les matériaux semiconducteurs et isolants visés sont aussi bien ceux actuellement utilisés en microélectronique (Si, SiO2, HfO2) que ceux que l industrie envisage d utiliser pour les prochaines générations de composants (Ge, matériau III-V, GeO2 ). Déroulement de la thèse : Les principaux outils utilisés au cours de cette thèse seront des codes de dynamique moléculaire classique et des codes ab initio basés sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT). Les travaux de thèse consisteront en la génération de cellules de simulation de tailles assez importantes afin de bien décrire les phénomènes de cascades. Un soin tout particulier sera dédié à la génération de cellules pour les matériaux amorphes. Les cascades seront ensuite simulées par dynamique moléculaire. En fonction de l énergie de la particule incidente et de différents paramètres intrinsèques au matériau, un recensement des défauts générés au cours de la simulation sera effectué. L effet de la création de défauts sur les propriétés électroniques du matériau (variation de la bande interdite, introduction de niveau dans la bande interdite, etc.) sera observé. Les structures de défauts ponctuels et étendus résultant des cascades de défauts seront ensuite observées de façon indépendante afin d obtenir leurs propriétés électroniques et optiques précises en utilisant des méthodes ab initio allant audelà de la «DFT». Les méthodes utilisées seront selon les cas les fonctionnelles hybrides, les méthodes GW et les méthodes de résolution de l équation de Bethe-Salpeter. L évolution des structures de défauts étendues comme les clusters de défauts pourra être étudiée par des méthodes plus macroscopiques de type Monte Carlo Cinétique. Les travaux seront en lien direct avec d autres échelles de simulation (simulation Monte Carlo ou modèle continu) et des expériences menées dans le laboratoire ou dans le cadre de collaborations. Directeur de thèse et école doctorale : Alain ESTEVE ED 323 Génie Electrique Electronique Télécomminucations Toulouse III Contact : Nicolas Richard CEA/DAM/Ile de France , [email protected] Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 29/104

30 Electronique Caractérisation par calculs ab initio des propriétés des défauts ponctuels dans la silice pure et dopée Afin de rendre résistant aux radiations ionisantes des composants tels que les fibres optiques ou les transistors, il est nécessaire de caractériser finement les défauts ponctuels dans la silice amorphe. En effet, ce sont les propriétés énergétiques, structurelles et optiques de ces défauts qui dicteront le comportement macroscopique de ces composants pendant et après l irradiation. Le travail de thèse présenté ici a pour objectif la compréhension du rôle de ces défauts en utilisant des simulations atomistiques dites ab initio. Objectif de la thèse : De nombreuses études ont été menées depuis plus de cinquante ans pour identifier les paramètres intrinsèques et extrinsèques influençant la création de défauts ponctuels dans la silice amorphe constituant le cœur de composants comme les fibres optiques ou les transistors. Malgré toutes ces études, une caractérisation expérimentale complète de ces défauts ponctuels reste difficile à cause du nombre de moyens expérimentaux à mettre en place et des limitations intrinsèques à chacun d entre eux, d où la nécessité de compléter la caractérisation expérimentale par le calcul des comportements optiques et électrique des défauts grâce aux techniques de modélisation et simulation permises par le calcul numérique parallèle et les développements théoriques les plus récents en modélisation physique. Les calculs effectués seront en effet principalement basés sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT) ainsi que sur les méthodes de perturbation à plusieurs corps (MBPT) de type approximation GW-résolution de l équation de Bethe-Salpeter. Ils seront comparés aux expérimentations menées dans le laboratoire sur ce sujet. Le sujet progressera en rapprochant les caractérisations expérimentales et les caractérisations «numériques». Déroulement de la thèse : Depuis plusieurs années, nous avons mis en place une collaboration avec l université de Saint-Etienne et divers instituts européens sur ce sujet d étude afin de développer une approche couplée mêlant caractérisations expérimentales et simulations à l échelle atomique. Le travail de thèse présenté ici s inscrira dans ce cadre et concernera des études utilisant les simulations à l échelle atomique dites ab initio. Les travaux de thèse se déclineront comme suit : La première étape consistera en la génération de cellules de silice amorphe pures et dopées par dynamique moléculaire classique et ab initio. Cette phase demandera d analyser au fur et à mesure des simulations les variations de structure des verres afin de générer des verres «réalistes». Les verres sélectionnés seront utilisés dans des simulations ab initio statiques utilisant la DFT. Il s agira alors de calculer les propriétés structurelles et énergétiques des cellules. Dans ces cellules, les différents défauts possibles seront étudiés de façon approfondie. Il sera nécessaire d évaluer notamment leur stabilité au travers du calcul de leur énergie de formation et de leur énergie d activation. Pour les défauts paramagnétiques, une évaluation de leurs paramètres de Résonance Paramagnétique Electronique (RPE) permettra une comparaison directe avec les expériences de spectroscopie. Enfin, chacun des défauts étudiés sera caractérisé par sa structure électronique et ses bandes d absorption. Ces derniers calculs seront réalisés en utilisant des méthodes de perturbation à plusieurs corps comme l approximation GW et la résolution de l équation de Bethe-Salpeter. Ce travail se fera en relation constante avec d autres groupes de théoriciens, d expérimentateurs et un industriel du domaine. Au cours de son travail, le ou la candidat(e) pourra être amené(e) à développer des codes ou des parties de code afin d améliorer la progression des études. Directeur de thèse et école doctorale : Sylvain GIRARD - ED488 Sciences Ingénierie Santé Université de St Etienne Contact : Nicolas Richard CEA/DAM Ile de France /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

31 Le RIPAULT ILE DE FRANCE VALDUC CESTA GRAMAT Métrologie Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 31/104

32 Métrologie Etude et développement d un modèle mathématique pour la mesure et l analyse, par radiographie, des défauts géométriques de surface de microballons nécessaires aux expériences sur les lasers de puissance Le laser de haute énergie (Laser MégaJoule), construit en France pour le CEA, est un élément clé des moyens de validation expérimentale par parties du programme Simulation. Cette installation permettra aux chercheurs de faire progresser la physique des plasmas thermonucléaires en provoquant la fusion nucléaire contrôlée par confinement inertiel d'un mélange de deutérium-tritium (DT). Ces études requièrent, pour chaque campagne de tirs laser, une multitude de cibles différentes et composées d'un grand nombre d'éléments assemblés entre eux. Ces éléments de cibles peuvent être de nature très différente (métallique, organique ou inorganique), de géométrie variable parfaitement maitrisée (parallélépipède, cylindre, sphère ), mais toujours de taille millimétrique. Le principe de la fusion de l hydrogène par confinement inertiel est basé sur l implosion, provoquée par des faisceaux laser de grande puissance, d une capsule sphérique millimétrique en matériaux polymères dont la paroi interne est couverte d une couche d isotopes d hydrogène (DT pour deutérium et tritium) solide. La présence d irrégularités à chaque interface de la capsule génère, lors de la mise en vitesse pendant la phase d implosion, des phénomènes d instabilités hydrodynamiques qui peuvent compromettre le bon déroulement et la réussite de l expérience. Certaines «irrégularités» peuvent être maîtrisées lors de la fabrication de manière à provoquer des effets voulus lors d expériences sur lasers de puissance (profils en sinusoïdes, ballons ellipsoïdaux ). Les calculs de simulation menés par les physiciens pour prévoir la formation de ces instabilités ont conduit à des spécifications de rugosité de surface de quelques dizaines de nanomètres pour une sphère de 2 mm de diamètre. Le service en charge de la fabrication des capsules sphériques développe des moyens de caractérisation par radiographie pour analyser l état de surface des capsules. Pour cela, le microballon sera radiographié selon plusieurs axes de vue. Objectif de la thèse : Le but de cette étude est, dans un premier temps, de comprendre l interaction rayons X matière qui donne naissance au contraste de phase sur les clichés radiographiques. Il s agira d établir un lien entre le contraste de phase visible sur l image et la (ou les) différente(s) surface(s) du microballon rencontrée(s) par le rayonnement X. Ceci permettra de mettre en relation la déformation observable des anneaux de contraste de phase et la déformation géométrique de la (ou des) surface(s) du microballon. Ensuite, l utilisation (voire le développement) d un logiciel de détection de contour (ou plus généralement d extraction de caractéristiques) permettra d isoler l information apportée par le contraste de phase dans les clichés radiographiques. Puis, la résolution d un problème inverse (à partir de données extraites des clichés pour remonter à la modélisation des déformations des surfaces du microballon) permettra d estimer les perturbations géométriques en 3 dimensions des surfaces du microballon. Cette méthode sera, pour finir, validée et implémentée sur le dispositif de radiographie intervenant dans la chaîne de production des microballons. Déroulement de la thèse : En collaboration avec l université, l étudiant devra tout d abord s approprier la physique de l absorption des rayons X dans les matériaux faiblement denses. Il devra aussi devenir un expert dans l utilisation du matériel disponible au CEA (banc de radiographie numérique). Dans un second temps, il aura à développer un modèle simulant les phénomènes de contraste de phase dans les matériaux intéressant le CEA. Puis il appliquera ce modèle au cas des microballons. Dans un dernier temps, il donnera des résultats de mesure sur des microballons simulés puis sur des microballons réels dont les clichés radiographiques auront été préalablement acquis. Puis ces nouveaux outils devront être implémentés dans la chaîne de caractérisation par radiographie X des microballons. Directeur de thèse et école doctorale : Eric Busvelle et Jean-Paul GAUTHIER de l Université de Toulon Contacts : Alexandre Choux [email protected] et Laurent Jeannot [email protected] CEA/Valduc /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

33 Métrologie Etude d'un nuage de particules micrométriques issu de la face arrière d'une plaque métallique soumise à un choc Le sujet proposé porte sur l étude du comportement de la face arrière d'une plaque métallique soumise à un choc de plusieurs dizaines de GPa. La sollicitation peut avoir pour origine une impulsion lumineuse nanoseconde de plusieurs joules provenant d'un laser de puissance (GCLT, LMJ au CEA, LULI à l Ecole Polytechnique, ENSAM-PIMM à Paris) ou bien l'action d'un explosif. Objectif de la thèse : Celle-ci comportera trois volets : théorie, simulation et expérimentation. L'encadrement CEA couvrira les différents domaines nécessaires à l avancement des travaux comme l'optique, la radiographie X, la détonique et la simulation numérique. La face arrière, située à l'opposé de cette sollicitation, peut produire un nuage de particules selon différents mécanismes, isolés ou combinés : le microjetting (micro-charges creuses découlant des stries d'usinage), le micro-écaillage (croisement de détentes) et le passage en fusion (en choc ou en détente). Ce nuage peut ensuite se déployer dans le vide ou bien entrer en interaction avec un gaz et révéler ou modifier ses caractéristiques intrinsèques. Déroulement de la thèse : Elle permettra d approfondir une ou plusieurs des thématiques suivantes : Etude expérimentale de la formation et de la fragmentation d'un microjet grâce aux récents développements de l imagerie laser et de l imagerie radiographique X basse énergie ; comparaison à des modèles de fragmentation, à des simulations hydrodynamiques ou de dynamique moléculaire. Interaction particules-gaz. Utilisation simultanée de différents diagnostics comme la vélocimétrie hétérodyne ou l'imagerie radiographique. Mise en place de dépouillements croisés entre ces diagnostics pour une caractérisation plus précise du nuage (forme, densité ou vitesses, diamètres des particules le composant) et ainsi, avoir la possibilité de confronter ces données à des simulations numériques. Simulation électromagnétique (et confrontation expérimentale) : interaction entre lumière laser avec le nuage ou avec le jet de particules. Les moyens actuels de calcul nous donnent la possibilité de simuler les équations de Maxwell en 2D ou en 3D pour anticiper l interaction d une onde électromagnétique avec les différents matériels éjectés. L étude de l interaction entre un faisceau impulsionnel de rayons X et ces débris est aussi envisageable. Sans être exhaustif, nous pouvons citer quelques compétences souhaitées pour le candidat, en plus d un bon socle en physique générale : l optique-électromagnétisme, la mécanique-hydrodynamique, le traitement du signal et la maîtrise de langages informatiques comme le C ou Matlab. Certaines d entre elles, ou des complémentaires, pourront être acquises au cours de la thèse. Pour l étude expérimentale de la matière soumise à des chocs, le CEA, seul ou en partenariat avec d'autres laboratoires, comme ceux du CNRS (ENSMA-P, ENSAM-PIMM), développe et met en œuvre depuis plusieurs années différents types de mesures : les plus appropriées à l'objet de la thèse sont la vélocimétrie hétérodyne, les pesées cible-mince, les sondes piézo-électriques, l'imagerie laser ns et ps, l'ombroscopie, la radiographie X, la diffusion de Mie ou encore l'analyse postmortem. Le CEA dispose également d importants moyens de simulation dans le domaine de l'hydrodynamique, de l interaction lumière-matière ou de l'électromagnétisme (Tera 100, 1 Pflops, 5 Po, 108 mailles), ainsi que des compétences en traitement du signal et des images. Directeur de thèse et école doctorale : Laurent Berthe ED 432 «Sciences des Métiers de l Ingénieur» Contact : P. Mercier CEA/DAM Ile de France Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 33/104

34 Métrologie Développement d une méthode d étalonnage de référence pour les capteurs infrason et amélioration d un calibreur acoustique infrasonore Le réseau de surveillance du TICE utilise principalement pour sa composante de détection aérienne des capteurs infrasonores microbaromètre de type MB2000 développés par le CEA. Ceux-ci sont reconnus par la communauté comme une référence en termes d instrumentation pour la mesure acoustique infrason. Les moyens de mesure mis en œuvre quotidiennement dans le processus métrologique de vérification des microbaromètres, au sein du laboratoire de métrologie infrason du DASE, ont été développés en 2003 par le CEA, pour répondre aux exigences métrologiques définies à l époque. L amélioration attendue dans la maîtrise des mesures liée à l amélioration des techniques de traitement des signaux par les clients va se traduire par des spécifications métrologiques plus sévères sur les capteurs, qui in fine impliquent des performances accrues des instruments de métrologie et des méthodes mis en œuvre pour la vérification de ces capteurs. Concrètement, les tolérances maximales tolérées vont diminuer, et par voie de conséquence l exigence qui porte sur les incertitudes de mesure en générale et les incertitudes d étalonnage de nos étalons en particulier, vont également diminuer pour satisfaire à l exigence de capabilité de nos processus de vérification. En parallèle, les moyens d étalonnage du type calibreur infrason, et microphone doivent évoluer. Actuellement, aucun laboratoire de métrologie, accrédité, national ou pas, vers lequel se tourne le laboratoire de métrologie pour faire étalonner ses étalons au regard de cet objectif d amélioration n est en mesure de pratiquer d étalonnage dans des fréquences inférieures à 20 Hz. Ni les étalons, ni les méthodes d étalonnage, ni les moyens adéquats ne sont disponibles. Objectifs de la thèse : Cette thèse a pour objectif de nous permettre d améliorer notre processus de vérification de nos capteurs infrasonores actuel et futurs afin de garder notre avance et notre expertise dans le domaine de la métrologie infrason. Pour cela, il est indispensable de disposer de nouveaux étalons de référence traçables au Système International d Unités en dessous de 20 Hz en plus précisément vers 1 Hz, qui est pleinement dans notre bande de fréquence d intérêt [0,01 Hz, 20 Hz]. En parallèle, il est indispensable de développer, et de valider de nouvelles méthodes d étalonnage, des outils de génération de signaux infrasons adaptés à ces nouveaux étalons et à nos capteurs microbaromètres. Nous collaborerons avec le laboratoire de métrologie acoustique du Laboratoire National de Métrologie et d Essais (LNE) et l université du Maine, pour développer les moyens et les méthodes d étalonnage de référence. Déroulement de la thèse : Le déroulement de la thèse est le suivant : 1. Développement d une méthode et des moyens d étalonnage des microphones dans les infrasons : 1.1 Analyse et adaptation aux infrasons des méthodes suivantes : méthode de la réciprocité, méthode de la grille d entraînement, méthode du pistonphone laser. La validité dans les infrasons des modèles classiques permettant d accéder à la grandeur de pression acoustique sera vérifiée. Un nouveau modèle sera développé si besoin. Livrable : M14 34/104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

35 1.2 Analyse et adaptation aux infrasons des techniques couramment utilisées pour la métrologie des pressions statiques. Recouvrement avec les méthodes acoustiques citées ci-dessus. Livrable : M Sélection de la méthode destinée aux prestations d étalonnage et développement du banc d étalonnage Estimation du bilan des incertitudes de mesure. Livrable : M24 2. Caractérisation et amélioration d un calibreur acoustique infrasonore : 2.1 Modélisation numérique du système. Validation des choix techniques. Livrable M Caractérisation du transducteur en fonction des paramètres climatiques par expérimentation (température, humidité et pression statique). Livrable M32 3. Ecriture d un rapport complet et publication dans une revue internationale à comité de lecture. Livrable M36 Directeur de thèse et Ecole doctorale : Stéphane DURAND de l université du Maine Contacts : Franck Larsonnier CEA/DAM Ile de France Dominique RODRIGUES (Laboratoire National de Métrologie et d Essais) Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 35/104

36 Métrologie Optiques multicouches pour les diagnostics dans le domaine des rayons X sur le Laser Mégajoule 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. Objectif de la thèse : 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 /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

37 Le RIPAULT ILE DE FRANCE VALDUC CESTA GRAMAT Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 37/104

38 Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation Etude de l interaction écoulement-particules dans le régime supersonique Le cadre de cette thèse concerne la modélisation physico-numérique de l interaction entre un écoulement supersonique pouvant contenir des particules et une paroi. Cet écoulement est caractérisé par une onde de choc détachée et par une couche limite visqueuse au voisinage de la paroi. L impact des particules au sein de l écoulement est susceptible d endommager le matériau constitutif de la paroi et de modifier son état de surface. Par ailleurs l interaction des particules sur l écoulement peut modifier ses caractéristiques principales (choc détaché et couche limite) et induire des modifications du flux de chaleur pariétal. L objectif de ce travail est d intégrer un module de simulation de particules complet dans un code d aérodynamique supersonique tridimensionnel afin de prendre en compte les effets des particules. Pour cela plusieurs étapes sont nécessaires : disposer d un module de trajectographie tridimensionnelle des particules pour simuler leurs trajectoires, développer un modèle thermique pour les particules afin d étudier leur ablation et leur dislocation dans l écoulement, développer un module de collisions interparticulaires et notamment gérer l impact de la turbulence sur les collisions interparticulaires, étudier l interaction d une particule avec la paroi, notamment sa fragmentation au moment de l impact. Une fois ces étapes franchies, on abordera la question de la rétroaction des particules sur le choc et la couche limite. Il faudra alors envisager de passer le code de calcul en mode instationnaire (au moins partiellement) afin de capturer les échanges entre l atmosphère et les particules et d évaluer leur impact sur la position du choc. Chaque étape nécessitera une validation physico-numérique afin de garantir la cohérence des résultats fournis par le code de calcul. On s attachera également à démontrer la validité mathématique des modèles proposés ainsi que celle de leur couplage. Objectif de la thèse : Proposer une modélisation physico-numérique pertinente de l interaction écoulement-particules dans le régime supersonique. Déroulement de la thèse : septembre 2015-septembre 2018 Directeur de thèse et école doctorale : Ph. Villedieu (ONERA Toulouse et Pr. Associé Université Paul Sabatier Toulouse) Contact : J. Mathiaud CEA/CESTA [email protected] /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

39 Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation Dynamique non-linéaire et vibration aléatoire pour des structures comportant des incertitudes et des interfaces non-linéaire La modélisation de la réponse dynamique des structures est une des questions majeures liées au dimensionnement et à la conception. La prévision des modes propres par des moyens numériques ou expérimentaux est aujourd hui bien maîtrisée, notamment en basses fréquences, mais la caractérisation des niveaux de déplacements et des contraintes mécaniques reste une question ouverte car elle dépend de l amortissement, lui-même principalement issu du comportement non-linéaire dissipatif des interfaces. Il apparaît également que la variabilité possible sur certains paramètres physiques (dispersion inhérente aux systèmes mécaniques) et la prise en compte d excitations réalistes (excitation multi-paramètriques ou aléatoire par exemple) ont un impact non négligeable sur le comportement global non-linéaire. Il est donc nécessaire de dépasser maintenant ces limites de la modélisation non-linéaire déterministe et les deux notions, impact des dispersions sur le comportement non-linéaire et prise en compte des excitations aléatoires, doivent être abordées dans le cadre d une démarche prédictive de dimensionnement. Actuellement, l impossibilité pour l ingénieur de connaître l amortissement dès la conception d une structure implique de devoir réaliser des campagnes d essais, potentiellement longues et coûteuses, avant de pouvoir l identifier a posteriori ou de prendre des marges de conception pénalisant la performance globale. Les travaux proposés ont ici ont pour objectif de répondre aux spécifications en déplacements et contraintes dès la phase de conception. Objectif de la thèse : L enjeu industriel majeur à moyen et à long terme est de proposer une démarche complète de modélisation et simulation non-linéaires avec prise en compte de paramètres incertains permettant de statuer sur l influence du type d excitation, des dispersions physiques inhérentes aux systèmes mécaniques, et l importance du caractère nonlinéaire local de certaines liaisons, et en particulier de la dissipation, vis-à-vis de la dynamique globale aléatoire d une structure. Cette thématique intéresse directement la DAM au même titre que les industriels de l aéronautique et de la défense (on trouve d ailleurs des programmes équivalents à la SANDIA et à l AWE). Le CEA/CESTA a déjà entamé des actions sur ce thème qui se sont concrétisées par une thèse débutée en 2013 (Maxence CLAEYS). Elle correspond également à un des axes prioritaires retenu en réponse aux recommandations du comité d évaluation scientifique 2012 de la DAM en mécanique. Enfin, les progrès réalisés sont directement utilisables dans le programme de garantie par la simulation et les futurs standards. Déroulement de la thèse : La réalisation de cet objectif se décompose en trois axes dont les deux volets sont relativement indépendants mais qui doivent être menés en parallèle : 1. la caractérisation du comportement linéaire/non-linéaire et dissipatif des liaisons intervenant le plus couramment dans les structures (liaisons frottantes, assemblages boulonnés...) avec une estimation de la dispersion et de la sensibilité aux paramètres physiques essentiels, 2. le choix de méthodes numériques adaptées ou extension de méthodes déjà existantes permettant de prédire le comportement non-linéaire global du système avec prise en compte du caractère aléatoire de certains paramètres physiques incertains du système ou des excitations (intégration temporelle directe technique de Monte Carlo, méthode de balance harmonique mono ou multi-fréquentielle avec ajout de Monte Carlo ou du chaos polynomial non intrusif, techniques de sélection par sensibilité pour réduire le nombre de variables aléatoires d entrée ), 3. la comparaison essais-calculs et validation expérimentale (sur un démonstrateur adapté) de l'ensemble de la démarche théorique et numérique permettant d'aboutir à la prédiction du comportement non-linéaire du système en présence de paramètres incertains et d excitations forcées ou aléatoires. Directeur de thèse et école doctorale : Jean-Jacques SINOU, Professeur Ecole Centrale de Lyon, LTDS UMR 5513 Contact : Jean-Pierre Lambelin CEA/CESTA [email protected] Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 39/104

40 Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation Développement d un système de gestion des entrées/sorties pour un code de dynamique moléculaire classique adapté aux machines exaflopiques Dans le cadre du développement du nouveau code de dynamique moléculaire classique ExaStamp, il est primordial d étudier et de développer un nouveau système de gestion des entrées/sorties du code destiné aux différents post-traitements et au re-démarage du calcul. Toute la difficulté sera d adapter ce système aux particularités des futures machines exaflopiques. En effet, les capacités actuelles d ExaStamp permettent dès à présent d envisager des calculs à plusieurs milliards de particules. Sans système d entrées/sorties spécifique, il sera très difficile voire impossible d exploiter pleinement les résultats de ces simulations. Il est donc nécessaire de disposer d un système offrant des services de gestion des données de post traitement adaptés aux machines massivement parallèles préfigurant les machines exaflopiques comme par exemple TERA Un tel système doit donc pouvoir traiter un très grand nombre d atomes de l ordre de plusieurs milliards et s adapter aux spécificités hardware des futures machines comme par exemple la délégation des entrées/sorties à des nœuds dédiés du calculateur. Objectif de la thèse : L objectif principal de la thèse est la réalisation d un système d IO et de post-traitement pour des données de type Dynamique Moléculaire adapté et performant sur des architectures machines exaflopiques. Déroulement de la thèse : Pour cela, l étudiant devra réaliser des études et des développements autour de trois thèmes. Le premier consistera à participer avec la communauté internationale au développement d un «standard» de format des bases de post-traitement en dynamique moléculaire. Le second consistera à concevoir et développer un système d IO permettant de produire et utiliser des bases de données contenant les résultats des simulations en prenant en compte les aspects massivement parallèle d ExaStamp, la capacité de délégation d IO de la machine ainsi que ses contraintes mémoires. Enfin, il sera sans doute nécessaire de post-traiter in situ une partie des résultats afin de limiter au maximum le volume des données produites et le temps nécessaire à un physicien pour les traiter. Directeur de thèse et école doctorale : Bruno Raffin - ED 217 Contacts : Laurent Colombet et Laurent Soulard CEA/DAM Ile de France /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

41 Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation Modélisation et simulation numérique de la rupture sous choc avec recompaction Ce sujet de thèse s'inscrit dans le cadre des études actuellement menées au CEA/DAM concernant la modélisation et la résolution numérique de l'endommagement et de la rupture sous choc des matériaux ductiles. Les sollicitations étudiées sont caractérisées par de hautes pressions dynamiques (de l'ordre dugpa) couplées à d'importantes vitesses de déformation. Les temps caractéristiques sont extrêmement courts (de l'ordre de la microseconde) et les phénomènes mis en jeu essentiellement transitoires. En réponse à ces conditions de chargement extrêmes, les matériaux impliqués vont se déformer, s'endommager (formation de pores), voire rompre et dans certains cas de figure se recompacter. En particulier, lors des expériences d'impact de plaques, le choc généré dans la cible va se réfléchir sur la surface libre (non impactée). L'interaction entre les ondes de choc et de détente génère alors une tension locale intense et conduit à un phénomène d'endommagement suivi de la rupture du matériau nommé écaillage. Les problématiques actuelles : Plusieurs modèles d'endommagement ductile existent (modèles de Johnson, de Gurson-Perrin,...). Bien qu'ils permettent de décrire les mécanismes microscopiques de l'endommagement (nucléation, croissance et coalescence de pores), la transition vers un modèle de rupture est essentiellement numérique, sans cadre thermodynamique adapté. Ceci empêche le traitement correct des cas de recompaction, où les pores et zones de vide se referment pour permettre à la matière de se réagréger. Le nouvel état thermodynamique des matériaux recompactés prédit par le numérique est alors totalement hypothétique et empêche la restitution physique du comportement réellement observé. La problématique de la rupture à l'échelle macroscopique consiste dès lors à concilier l'existence de champs cinématiques et thermomécaniques discontinus, avec une résolution locale de la thermodynamique. Objectif de la thèse : L'objectif de la thèse est d'implanter une méthode de traitement physico numérique de la rupture sous choc, permettant d'assurer un suivi thermomécanique des matériaux, et de résoudre les cas de recompaction. La problématique est donc double : - d'un point de vue physique, elle implique d'enrichir la modélisation de la transition entre un matériau endommagé et un matériau écaillé présentant une zone de vide macroscopique, - d'un point de vue numérique, elle nécessite l'implantation d'une méthode pour le traitement des champs discontinus avec présence de vide, et permettant de suivre l'évolution des propriétés thermomécaniques locales. Déroulement de la thèse : Le candidat retenu devra dans un premier temps établir une bibliographie approfondie des modèles et méthodes numériques disponibles dans la littérature (XFEM, zones cohésives...) et retenir parmi celles-ci, ou éventuellement proposer, une méthode pouvant être couplée avec le code de dynamique rapide actuellement utilisé. Ceci permettra dans un second temps d'établir des maquettes 1D et 2D. Le couplage au code sera ensuite réalisé puis validé sur la base de résultats expérimentaux. Directeur de thèse et école doctorale : Patrick Le Tallec [email protected] Ecole Polytechnique (Laboratoire de Mécanique des Solides) Contact : Guillaume Peillex - CEA/DAM/Ile de France [email protected] Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 41/104

42 Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation Caractéristiques et utilisation des mémoires hétérogènes multi-niveaux Le fossé grandissant entre les performances des unités de calculs et les performances de la mémoire oblige les constructeurs à chercher de nouveau moyen pour fournir les données aussi rapidement que nécessaire. De façon générale, plus les mémoires sont rapides, moins on peut y stocker des données. Pour pallier à ce problème, certains constructeurs offrent des solutions de mémoires «multi-niveaux», avec plusieurs mémoires aux caractéristiques différentes cohabitant, offrant une mémoire principale et une ou plusieurs mémoires secondaires plus performantes sur certains points (débit, latence ). Historiquement, les GPUS furent les premiers à offrir ce genre de système, avec les mémoires spécifiques pour le rendu graphique jouant le rôle de mémoire secondaire auprès de la mémoire principale. Avec l arrivée du KNL, ce genre de système tend à se généraliser. Objectif de la thèse : Le but de cette thèse est d étudier les architectures offrant des mémoires secondaires aux caractéristiques différentes en support de la mémoire principale. Le doctorant étudiera les travaux déjà réalisés sur les GPUs, ainsi que les travaux préliminaires réalisés par un précédent stagiaire sur le modèle roofline. Il devra mettre en place un framework permettant d évaluer les caractéristiques des différentes mémoires disponibles dans ce genre de système. Une étude approfondie de codes de tests et de codes de production permettra de déterminer comment utiliser ces mémoires, et quels types de données, ou de placements, bénéficieront au mieux des différentes mémoires. Cette expertise devra être fournie aux utilisateurs via l utilisation d un outil. La possibilité de gérer automatiquement les différentes mémoires sera aussi étudiée, que ce soit par le biais d un ajout dans un compilateur, et/ou d un runtime réalisant automatiquement les transferts nécessaires entre les mémoires. Déroulement de la thèse : Bibliographie et tests KNL (4 mois) Bibliographie sur l existant (notamment comment a-t-on tiré parti des différentes mémoires disponible sur les GPUS), Etudes du modèle roofline et des travaux réalisés par Rémi BARAT dans le cadre de son stage de M2 en 2014, Tests du KNL et de l utilisation de la mémoire, Mesures effectives des bandes-passantes et des latences, Tests de performances sur BLAS, Tests de performances sur mini-apps. Répartition des données entre les différentes mémoires (12 mois) Définir une méthodologie/un framework pour évaluer des systèmes multi-mémoire et en sortir les métriques importantes o Quels sont les éléments importants à connaître dans les codes pour savoir quelle mesure utiliser.? Définir quels types de données seront positionnés sur telle ou telle mémoire o De quoi cela dépend-il? (taille des données, réutilisation des données, ration flop/byte, bande passante latence)? 42/104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

43 Est-il intéressant dans les cas où certaines métriques sont les mêmes (latences, bande passante) de considérer la (les) mémoire(s) secondaire(s) (i.e. MCDRAM sur KNL) comme étant juste une extension mémoire de la mémoire principale? o Si la latence est sensiblement la même, et que les perfs de certains codes dépendent de la latence, alors faire tourner un ensemble de threads/tâches uniquement sur la mémoire classique, et un sous-ensemble sur la (les) mémoire(s) secondaire(s) peut-il être bénéfique (si la mémoire secondaire fait 10% de la taille totale des deux mémoires, alors on met 10% n utilisant que la mémoire secondaire, et les autres threads n utilisant que la mémoire principale)? o Est-ce meilleur que de placer certaines données de chaque thread/tâches sur la mémoire secondaire? o Qu en est-il du ratio «temps de développement/performance»? Outil permettant d indiquer comment un code donné devrait utiliser les mémoires distincts (8 mois) Analyse du programme, ou de certaines fonctions chaudes, Déterminer quelles sont les limitations, les métriques importantes, Avec les analyses et l expertise obtenue lors de l année précédente, construire un prédicteur permettant de donner la meilleure utilisation des deux mémoires, Tester plusieurs mini-apps, vérifier que l on propose bien la meilleure solution. Raffiner le modèle, Peut-être proposer plusieurs solution avec un ratio «temps de développement/performance» (nombres de lignes de code à modifier / gain prédit)? Module dans un compilateur ou bibliothèque/runtime pour gérer automatiquement les 2 mémoires (6 mois) Rédaction du manuscrit (6 mois) Directeur de thèse et école doctorale : Denis BARTHOU, école doctorale de mathématiques et informatiques (Labri, Université de Bordeaux) Contact : Julien JAEGER CEA/DAM Ile de France Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 43/104

44 Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation Gestion de l asynchronisme et compositions de threads spécialisés en contexte multi-cœurs et many-cœurs Les communications prennent beaucoup de temps dans les codes de calculs actuels. Afin de limiter leur impact, les communications de façon asynchrone se développent. Ainsi, des threads supplémentaires sont créés par les bibliothèques pour gérer «efficacement» cet asynchronisme. De cette façon, certaines implémentations des runtime MPI et OpenACC créé un thread supplémentaire à l insu de l utilisateur pour la gestion asynchrone des envois de messages. Ces threads, invisibles aux utilisateurs finaux, peuvent gêner le code de calcul initial et dégrader les performances s ils ne sont pas prévus lors de l allocation des ressources. Objectif de la thèse : Le but de cette thèse est d essayer de gérer les threads spécialisés, créés par les bibliothèques, pouvant inférer sur le code utilisateur, au niveau de l ordonnanceur des fils d exécution. Le doctorant se basera sur certains exemples, tel que les collectives non-bloquantes de la bibliothèque MPI, pour tester le regroupement de ces threads d asynchronisme. Une étude sera réalisée pour savoir si les threads peuvent être regroupés sur un ou plusieurs cœurs dédiés à leur exécution, de façon à ne pas venir perturber les threads de calcul utilisateur. De même, le regroupement de threads spécialisés provenant de différentes bibliothèques, et/ou différents runtime, sera étudié afin de déterminer s il est préférable de faire des ilots regroupant les mêmes threads ou de faire des ilots de threads avec des spécialisations différentes. Un ordonnanceur devra être mis au point pour gérer ces différents ilots. Une API sera proposée pour caractériser les threads créés et pour fournir aux utilisateurs finaux la possibilité de créer leur propre «spécialité» reconnu par l ordonnanceur. L ordonnanceur devra permettre un système de priorité de threads au sein d un ilot, ordonnançant plus agressivement les threads faisant le plus de travail. Déroulement de la thèse : Etudes sur les collectives non-bloquantes de l API MPI avec l utilisation de threads de progression (6mois) Sur des cœurs standards. o Peut-on mettre les threads de progression sur le même cœur? Sur un nœud 8 cœurs, 7 cœurs pour 7 taches MPI et 1 cœur pour les 7 threads de progression Faut-il se limiter au socket? o Y a-t-il un ratio à ne pas dépasser? Faut-il plus de cœur pour les threads? 6 taches, 2 cœurs pour les threads (3 par cœur) o Cela dépend-il du nombre de collectives? De la fréquence des collectives? Sur des manycoeurs. o Même chose mais peut-être réserver plusieurs cœurs pour les threads de progression? o Quel est le bon ratio? ratio à ne pas dépasser? o L hyper-thread peut-il suffire, ou faut-il des cœurs distincts pour faire tourner efficacement les threads de progression? Mélanges de différents runtime avec threads d asynchronisme (8 mois) Peut-on regrouper les threads d asynchronisme de différentes bibliothèques et/ou de différents runtime sur les mêmes cœurs (collective non-bloquantes de MPI, transferts de données asynchrones en OpenACC.)? Que faire des threads d IO? Doit-on les considérer comme des threads d asynchronisme, ou faut-il les considérer à part? o Tester en répartissant les threads d asynchronisme et les threads d IO, puis en les séparant dans des ilots distincts. Métrique à trouver sur les threads pour déterminer quels sortent de threads sont «combinables». 44/104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

45 Généralisation des Ilots (8 mois) Proposer une API permettant de spécifier lors de l écriture de bibliothèque ou de programmes, quels sont les utilités des threads et de les mettre dans différents ilots, ou de les composer en fonction de l option choisie (OS, IO, async, user_work, library_work, ), Possibilité de fournir aux utilisateurs une façon de créer leurs propres catégories/ilots, Runtime/ordonnanceur associé. Priorité dans les îlots (8 mois) Offrir une méthode pour ordonnancer certains threads plus souvent que d autres. o Si on estime que le thread à 20% de travail qu un autre thread dans le même ilot, selon la métrique choisie, alors il sera ordonnancé un peu plus souvent que l autre. Y a-t-il un intérêt? Quelles sont les métriques à étudier? o Surtout dans les cas des ilots combinant différentes «spécialités» de threads Rédaction du manuscrit (6 mois) Contact : Julien Jaeger CEA/DAM Ile de France Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 45/104

46 Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation Utilisation de la métamodélisation pour l analyse de fiabilité des systèmes complexes. Application aux systèmes emboîtés à entrées et sorties intermédiaires scalaires ou fonctionnelles Profitant de l'accroissement des puissances de calcul disponibles, la simulation est de plus en plus utilisée pour l'évaluation du risque associé à de 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. Objectif de la thèse : 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. Déroulement de la thèse : 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 /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

47 Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation Simulation d'écoulements de Rayleigh-Taylor turbulents et réactifs à l'aide d'une méthode de Monte-Carlo eulérienne L'instabilité de Rayleigh-Taylor se produit lorsque deux fluides de densités différentes sont placés dans un champ d'accélération orienté du fluide le moins dense vers le fluide le plus dense. Au cours du temps, la zone de mélange formée à l'interface entre les deux fluides atteint un état turbulent. Par ailleurs, des réactions chimiques ou thermonucléaires peuvent se produire, soit au sein de l'un des deux fluides, soit dans le mélange. Dans les deux cas, un front de flamme est susceptible de se propager et d'interagir avec l'instabilité de Rayleigh-Taylor et la turbulence qu'elle génère. La turbulence de Rayleigh-Taylor réactive apparaît dans de nombreuses applications. Elle joue notamment un rôle prépondérant lors de la combustion des supernovæ de type Ia, ou dans les incendies de forêt. Comme pour la plupart des écoulements turbulents réactifs, la compréhension et la prévision des écoulements de Rayleigh-Taylor réactifs se heurtent à de nombreuses difficultés liées aux non-linéarités induites par les mécanismes réactionnels ainsi qu'aux larges spectres d'échelles de temps et d'espace engendrés par la turbulence. Objectif de la thèse : Du point de vue de la modélisation, les approches basées sur les fonctions de densité de probabilité (PDF) en un point constituent un outil prometteur pour résoudre ce type d'écoulement. Elles permettent en effet de traiter, de manière exacte, les termes réactifs non-linéaires et d intégrer, de manière schématique, l'influence d'un spectre turbulent. Ces avantages sont contrebalancés par une contrainte numérique sévère. Les PDF possédant un nombre de dimensions potentiellement élevé, le recours à des méthodes de Monte-Carlo pour résoudre leurs équations d'évolution est nécessaire. La plupart des méthodes de Monte-Carlo utilisées en turbulence font appel à une description lagrangienne de l'écoulement. Dans ce cadre, les trajectoires de particules évoluant selon des équations différentielles aux dérivées ordinaires stochastiques (SODEs) sont résolues numériquement. Cependant, les approches lagrangiennes sont confrontées à des défauts intrinsèques comme la redondance de certaines quantités moyennes et la répartition inhomogène des particules. Ces constats ont conduit plusieurs auteurs [Valiño, FTAC, 98 ; Soulard & Sabel'nikov, ESW, 06] à proposer des méthodes eulériennes de Monte-Carlo (EMC) basées sur des champs stochastiques eulériens dont l'évolution est donnée par des équations différentielles aux dérivées partielles stochastiques (SPDEs). La principale difficulté des méthodes EMC provient de la résolution numérique de la partie advective de ces SPDEs. Des schémas non-entropiques ont récemment été proposés mais de nombreuses questions restent encore ouvertes. Déroulement de la thèse : L'objectif de la thèse consiste à étendre les méthodes EMC aux écoulements de Rayleigh-Taylor réactifs. Les différentes étapes consisteront à : Dériver des SPDEs aptes à modéliser le cas Rayleigh-Taylor réactif : Dans le cas homogène et non-réactif, Griffond & Soulard [Phys. Scripta, 2010] ont dérivé des SPDEs à partir du modèle au second ordre GSG [Grégoire et al., JoT, 2006]. Ces SPDEs seront étendues au cas inhomogène et réactif, avec une attention particulière portée à la modélisation de l'advection turbulente et du transport par la pression. Développer une méthode numérique adaptée pour résoudre ces SPDEs : À la suite des travaux de thèse de N. Petrova [proceedings ESSAIM à paraître], les schémas de type Random Choice Method (RCM) seront adaptés au cas Rayleigh-Taylor réactif et leurs propriétés étudiées. La validation du modèle physique et du schéma numérique sera réalisée par confrontation avec les résultats de simulations numériques directes. Réaliser une étude physique de Rayleigh-Taylor réactif : Des questions telles que l'effet des réactions sur l'évolution de la largeur de la zone de mélange ou la transition entre différents modes de combustion seront examinées à l'aide de simulations par la méthode EMC. Directeur de thèse et école doctorale : V. Sabel nikov. Science et Ingénierie en Matériaux, Mécanique, Energétique et Aéronautique (SI-MMEA), Poitiers Contact : Olivier Soulard CEA/DAM Ile de France Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 47/104

48 Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation Simulations hybrides de matériaux énergétiques On a montré récemment à la DAM que le couplage entre des méthodes particulaires hydrodynamique et microscopique était possible, en particulier entre la méthode de SDPD et la méthode de DPDE. Les premiers éléments posés ont soulevés de nombreux problèmes, tant du point de vue de la physique que des algorithmes d intégration parallélisables. Un premier sujet de thèse a été proposé, qui commencera fin 2014, concernant le développement et la mise en place d une méthode hydrodynamique SDPD réactive à résolution adaptative (équivalent d un code à maillage adaptatif). Le sujet proposé ici sera centré sur le couplage entre échelles proprement dit, et son implémentation sur la plateforme ExaStamp. Plusieurs points seront spécifiquement abordés, comme la consistance thermodynamique (passage de l équation d état, usage de la viscosité), la définition des invariants, la stabilité numérique, et une réflexion sera menée sur la possibilité de transférer certains concepts au cas des solides énergétiques. Objectif de la thèse : L objectif est la définition rigoureuse du couplage entre échelle et la mise en place de simulations hybrides de grands systèmes. Déroulement de la thèse : Cette thèse se déroulera en partie au CERMICS. La partie mathématique appliquée (notamment l étude de la consistance des algorithmes) ainsi que la partie physique théorique du couplage de méthodes sera effectuée sous l encadrement de G. Stotz. Une seconde phase concernant l implémentation sur la plateforme ExaStamp sera effectuée sous la supervision du CEA/DAM (J.-B. Maillet et L. Colombet). Directeur de thèse et école doctorale : G. Stoltz (CERMICS) - Ecole doctorale : ED MSTIC Paris-Est Contact : J.-B. Maillet CEA/DAM Ile de France /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

49 Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation Stockage massif pour le HPC par utilisation de storage blobs 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. Objectif de la thèse : 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 envisagés 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. Déroulement de la thèse : 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/DAM/DIF/DSSI. Directeur de thèse et école doctorale : William Jalby Université de Versailles St Quentin Contact : Philippe DENIEL CEA/DAM Ile de France Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 49/104

50 Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation Turbulence générée par effet de température et de concentration Ce sujet s inscrit dans la problématique de l évolution d une zone de mélange turbulente soumise à une accélération. L illustration classique est celle d un fluide dense poussé par un fluide plus léger. Dans ce cas, un mélange turbulent se développe par l instabilité de Rayleigh-Taylor. Ce phénomène a une importance fondamentale dans des applications comme la dynamique de l atmosphère et des océans, en astrophysique avec les supernovas et enfin, pour les ingénieurs, elle joue un rôle critique en FCI. Or, la dynamique aux temps longs des zones de mélanges turbulentes reste très mal comprise, en particulier la dépendance aux conditions initiales. Objectif de la thèse : Dans le mécanisme classique de l instabilité de Rayleigh-Taylor, les fluctuations de densité qui entrainent le champ de vitesse turbulent sont maintenues par la présence d une stratification moyenne instable. Dans cette thèse, on se propose d explorer d autres mécanismes plus complexes, comme le cas où la densité dépend à la fois d une température et d un champ de concentration ou bien quand les fluctuations des températures sont forcées par la présence de particules échangeant de la chaleur avec le fluide. Déroulement de la thèse : Le travail s appuira sur un code existant de simulation numérique directe et un modèle de turbulence spectral de type EDQNM (eddy-damped quasi normal Markovian). Il s agira dans un premier temps de l enrichir en incluant les effets de température et de concentration puis d exploiter le nouvel outil pour l étude des instabilités hydrodynamiques de type Raileigh-Taylor. Directeur de thèse et école doctorale : F. Godeferd (LMFA, Ecole centrale de Lyon) Contact : B.-J. Gréa CEA/DAM Ile de France [email protected] /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

51 Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation Modélisation multiéchelle du comportement des matériaux énergétiques Les matériaux énergétiques (explosifs) sont composés de grains cristallins compactés dans une matrice d élastomère (moins de 3% en volume). Dans le cas du TATB, l arrangement cristallin, sous forme de feuillets empilés, donne à ces grains des propriétés mécaniques uniques : la déformation plastique ne peut intervenir que par glissement le long de ces plans, interdisant toute déformation plastique dans les autres directions. En fonction de la direction de la déformation, la résistance du matériau peut donc être soit très faible, soit très grande. Les fortes hétérogénéités de déformations en résultant sont une des causes possible de points chauds, conduisant à l amorçage de l explosif. Objectif de la thèse : Le travail proposé au cours de cette thèse consiste à établir, dans le cadre d une approche multiéchelle, l ensemble des mécanismes permettant une modélisation à l échelle macroscopique (de type plasticité cristalline) du comportement de l explosif. Déroulement de la thèse : La première phase de l étude consistera à établir, via des simulations à l échelle microscopique, les mécanismes élémentaires de déformation d un monocristal. Un potentiel tout atome est déjà disponible pour les simulations de Dynamique Moléculaire Classique et pourra éventuellement être amélioré avec les données récentes provenant des calculs ab initio. Le couplage de ce potentiel avec des techniques de modélisation mésoscopique (Dissipative Particule Dynamics) permet de réaliser des simulations de grands systèmes, et en particulier des ondes de choc ou des rampes de compression. L influence de la vitesse de déformation, de la pression ambiante ainsi que le rôle de la diffusion thermique seront particulièrement étudiés. La deuxième phase de l étude consistera à établir une loi de comportement cristalline permettant une bonne restitution des phénomènes analysés dans la première phase. Des comparaisons directes DM / plasticité cristalline permettront de valider cette phase. Enfin, cette loi cristalline sera incorporée dans une modélisation à grand nombre de mailles dans laquelle la microstructure cristalline sera finement modélisée. Une analyse des contraintes, déformations, localisation thermiques (points chauds) permettra, en relation avec les données expérimentales disponibles, de mieux comprendre les mécanismes d amorçage. Le stagiaire utilisera les moyens de calculs de la DAM (TERA100), et les codes de simulations dédiés à la dynamique moléculaire (stamp et exa-stamp), ainsi que le code Coddex de modélisation macroscopique (plasticité et changement de phase). Directeur de thèse et école doctorale : Olivier Castelnau Contact : Christophe Denoual CEA/DAM Ile de France [email protected] Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 51/104

52 Informatique scientifique, simulation numérique, modélisation Analyse de stabilité linéaire d'écoulements d'ablation en fusion par confinement inertiel 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 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 menée à l'aide 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, important à maîtriser pour assurer le succès de la FCI, comme le confirme les dernières expériences américaines (NIF). Le caractère instationnaire, compressible et stratifié des écoulements associés impose une approche essentiellement numérique du problème : l'approche stationnaire et quasi-incompressible beaucoup plus facile n'éclaire pas vraiment les comportements réels. L'approche suivie, développée au cours de thèses précédentes et qui n'a pas d'équivalent dans le domaine, utilise des solutions auto-semblables des équations de la mécanique des fluides nonvisqueux, compressibles avec conduction de chaleur non-linéaire comme écoulements 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 choix d'une méthode à haute résolution (méthode Chebyshev auto-adaptative) pour calculer ces solutions et leurs perturbations linéaires (Boudesocque-Dubois et alii, J. Comp. Phys. 2003, 2013). La thèse proposée utilisera 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. Le cœur de l'étude consistera à analyser les réponses en perturbations linéaires de ces solutions obtenues avec l'outil numérique à haute résolution existant, afin de mettre en exergue les mécanismes clés à l'œuvre dans ces écoulements : effets instationnaires, de compressibilité, de confinement, production de vorticité, acoustique. Ce travail s'appuiera sur une analyse en modes de Kovásznay déjà élaborée (Lombard et alii, EPL 2008) et que l'on souhaite affiner et compléter. Déroulement de la thèse : La thèse se déroulera sur le centre CEA/DAM Ile-de-France à Bruyères-le-Châtel. Elle comprendra dans un premier temps un travail théorique de reformulation des équations d évolution des modes linéaires de Kovásznay et leur implantation dans l outil numérique à haute précision (langage FORTRAN 90). Il s agira ensuite d exploiter des résultats de perturbations linéaires de différents écoulements à la lumière de cette analyse en modes de Kovásznay afin d identifier les différents mécanismes d amplification, d amortissement et de couplage des perturbations selon les zones des écoulements. Un des objectifs de ce travail sera la rédaction d un article de synthèse au terme de la seconde année de thèse. Tout au long de ce travail d autres pistes d analyse pourraient être proposées, certaines pouvant être explorées dans le temps restant. Directeur de thèse et école doctorale : Serge GAUTHIER, CEA/DAM Ile-de-France [email protected] Contact : Jean-Marie Clarisse CEA/DAM Ile-de-France [email protected] /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

53 Le RIPAULT ILE DE FRANCE VALDUC CESTA GRAMAT Physique des plasmas Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 53/104

54 Physique des plasmas Instabilité de Vishniac dans les restes de supernova 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 (novembre 2014) sur ces aspects dans l équipe. Objectif de la thèse : L objectif de ce travail de thèse est multiple. L étudiant aura tout d abord à sa disposition le manuscrit de la thèse soutenue en fin d année 2014 (et les publications s y rapportant) comme document de travail et il pourra très vite assimiler les résultats alors obtenus jusqu ici ainsi qu accéder à l état actuel des connaissances sur le sujet. Dans un premier temps, l étudiant devra, avec les conseils du directeur de thèse, recenser les nouvelles pistes prometteuses pour approfondir la compréhension des comportements physiques non linéaires mis en évidence précédemment, et, surtout, enrichir le modèle afin de pouvoir modéliser des situations plus réalistes et aboutir à des résultats plus représentatifs de l astrophysique que ceux obtenus jusqu à ce jour. Des approfondissements essentiels devront porter sur 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). Par ailleurs, le refroidissement de la matière choquée et chaude par perte de rayonnement en volume (milieu optiquement mince) devra être pris en compte afin d étudier son influence sur la densification de la coquille et, consécutivement, la diminution de son épaisseur et donc son aptitude à se fragmenter. Divers processus de rayonnement seront examinés et un intérêt particulier sera donné au refroidissement par Bremsstrahlung puisqu au début de son évolution, le reste de supernova est très chaud (plusieurs millions de Kelvin). L intérêt du rayonnement de raies sera aussi étudié car les nuages interstellaires contiennent des particules complexes qui ne sont pas complètement ionisées, surtout dans les étapes ultérieures à celle du début d évolution. Compte-tenu de ces nouveaux ingrédients physiques, les différences (ou les similitudes) éventuelles avec l instabilité de Vishniac (IV) «originale» seront soulignées en étudiant la stabilité de la coquille fine aussi bien en phase linéaire avec sa relation de dispersion associée, qu en régime non linéaire. De plus, vu les fortes similitudes entre l IV et l instabilité de Rayleigh-Taylor (IRT) qui est également connue dans la littérature astrophysique pour conduire à une filamentation dans les restes de supernova, on cherchera à établir un critère pour décider de l apparition, ou non, de l IV comme on sait le faire pour l IRT sans avoir à écrire nécessairement une relation de dispersion. Un tel critère devrait être valide aussi bien en régime linéaire que non linéaire. Ces travaux seront menés à la fois de manière analytique et de manière numérique au travers une collaboration existant avec l observatoire de Paris- Meudon depuis plusieurs années sur cette thématique. Déroulement de la thèse : La thèse commencerait en septembre 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, «Astrophysique d IDF» Contact : Serge Bouquet CEA/DAM Ile de France [email protected] /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

55 Physique des plasmas Systèmes d'amplification de puissance pour générateurs HPP (Hautes puissances pulsées) microseconde Le sujet de thèse consiste à réaliser l étude numérique et expérimentale de systèmes d amplification de courant sur des générateurs de hautes puissances pulsées en régime microseconde. Deux des principaux organes de base de ce type d équipement sont d une part le dispositif qui assure la fonction de stockage d énergie électrique et d autre part le système de commutation. Le générateur amplifie la puissance électrique par compression temporelle de l impulsion : les condensateurs sont chargés à faible puissance sur des temps longs (~1 min), puis l énergie électrique stockée dans les condensateurs est commutée sur des temps courts (~1 µs). Au CEA/Gramat, le générateur de HPP Sphinx a été développé autour de la technologie Linear Transformer Driver (LTD) en régime microseconde. Cette dernière offre la possibilité de développer des générateurs plus compacts, plus économiques en coût d acquisition comme d exploitation et tout aussi performants que les générateurs de Marx. Sur la machine Sphinx, l impulsion primaire des étages LTD est délivrée directement à une charge radiative de type Z-pinch, soit 6 MA en 1 µs. Des études sont menées pour développer des systèmes compacts de compression temporelle de l impulsion de courant délivrée par un générateur HPP microseconde. La réduction du temps de montée du courant délivré vers la charge Z-pinch permet d accroître ses performances radiatives. A ce jour, nous étudions par la simulation et l expérience le schéma Dynamic Load Current Multiplier (DLCM) sur le générateur Sphinx. D autres schémas sont en cours d évaluation par la simulation numérique, notamment le Radial Plasma Flow Switch ou encore l inverse-array, au travers d un contrat de collaboration avec le Blacket Laboratory de l Imperial College de Londres. Au cœur du fonctionnement de chacun de ces dispositifs on trouve des plasmas générés par ablation de réseaux de fils et soumis aux forces de Laplace. Objectif de la thèse : Le travail de thèse consistera à étudier ces schémas d amplification de puissance pour différentes gammes de générateurs HPP existants au CEA Gramat, de 300 ka à 6 MA. La modélisation par la simulation numérique avec les codes de magnétohydrodynamique résistive, les codes circuits, et les codes particulaires permettra d étudier finement le couplage entre le générateur, le système d amplification et la charge. Déroulement de la thèse : 1. Bibliographie-Etat de l art 2. Analyse des travaux en cours au Laboratoire 3. Définition par la modélisation du ou des schémas à étudier 4. Mise en place d une démarche de simulation et de validation expérimentale pour : - Evaluer l efficacité du transfert d énergie du système d amplification vers la charge, - Etudier les phénomènes (hydrodynamiques, électriques) susceptibles d engendrer des pertes lors du transfert de l énergie vers la charge, - Concevoir de nouvelles expériences pour améliorer le rendement du système d amplification. 5. Rédaction du mémoire et préparation de la soutenance Directeur de thèse et école doctorale : (pressentis) LPP ou Observatoire de Paris (LERMA) Co-encadrement envisagé : Imperial College of London Contact : Frédéric Zucchini CEA/DAM/Gramat Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 55/104

56 Physique des plasmas Etude de l influence des plasmas dans les diodes à électrons pour la radiographie éclair La Direction des applications militaires (DAM) du CEA utilise la radiographie éclair pour caractériser l état de la matière soumise à des chocs forts ou à une densification importante sous l effet d explosifs. Afin de réussir une radiographie dans ces conditions extrêmes, les sources X sont nécessairement petites (quelques mm), brèves (60ns), pénétrantes (quelques MeV) et intenses (plusieurs rads). Pour les produire, nous mettons à profit le rayonnement de freinage créé par une impulsion brève et intense d'électrons (plusieurs ka) de haute énergie dans un matériau cible. Dans ce contexte, deux filières technologiques permettent de produire le rayonnement X adéquat : à haute énergie (>10MeV), nous utilisons un accélérateur à induction (AIRIX), à basse énergie (en dessous de 10MeV) nous utilisons la filière "générateur+diode à électrons". Quelle que soit la technologie employée, la diode impulsionnelle à électrons est un élément majeur conditionnant en grande partie les propriétés de la source X. La compréhension et la maîtrise de la dynamique des faisceaux d électrons est donc un enjeu majeur afin d atteindre les performances ultimes de ces machines. Les intensités des faisceaux sont telles que les forces auto-induites (force de charge d espace et force magnétique focalisante) jouent un rôle important sur la dynamique. Afin de prédire cette dernière, nous employons sur les supercalculateurs du CEA le code de simulation Large Scale Plasma (LSP [1]) reposant sur la méthode Particle-In-Cell (PIC). Expérimentalement, nous avons identifiés que les plasmas engendrés par l utilisation des faisceaux intenses sont une limitation importante dans l obtention des performances optimales. Actuellement, ces effets ne sont pas pris en compte dans nos simulations. Objectif de la thèse : L objectif de cette thèse est donc d étudier expérimentalement les plasmas mis en jeu dans les diodes afin de les intégrer dans nos codes de simulation. Cette avancée permettra d investiguer leur influence sur la dynamique des faisceaux d électrons et donc sur les propriétés des sources X (dose, tache focale, durée d impulsion ) à l aide d un couplage PIC avec des codes de type Monte Carlo. Déroulement de la thèse : Dans un premier temps, les caractéristiques des plasmas d intérêts seront mesurées sur les machines de hautes puissances pulsées du centre de Gramat (ASTERIX 6MV, LTD 1MV). Pour cela, des méthodes d imagerie, d interférométrie et de spectroscopie d émission seront déployées. Sur la base de ces mesures et tirant partie des récentes avancées autour du code PIC LSP sur la modélisation des plasmas, ils seront intégrés dans la simulation PIC afin de comprendre leur effet sur la dynamique des faisceaux d électrons. Enfin, la validation expérimentale de la prise en compte numérique de ces effets sera réalisée notamment par des mesures des propriétés de la source X produite auprès de nos grands instruments (dose, tache focale ). [1] LSP est un produit de la société ATK-Mission Research Corp., Directeur de thèse et école doctorale : M. Yousfi LAPLACE Université de Toulouse Contact : Rémi Maisonny CEA/Gramat /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

57 Physique des plasmas Etude de la physique de base de l allumage par choc Etude de la physique sous-jacente à l Allumage par Choc dans le cadre de la Fusion par Confinement Inertiel en attaque directe. Implications pour de futures expériences d allumage par choc sur l installation LMJ/PETAL. Objectif de la thèse : L objectif de la thèse est d étudier et de comprendre la physique liée au schéma d Allumage par Choc. Il s agit d une thèse principalement expérimentale. Le doctorant participera, contribuera à préparer et interprètera plusieurs campagnes expérimentales. Dans la dernière phase de la thèse, il travaillera également au design de futures expériences. Nous envisageons d utiliser plusieurs installations lasers pour nos études : LULI à l Ecole Polytechnique, PALS à Prague et par la suite la nouvelle installation LMJ/PETAL à Bordeaux. Cette dernière installation permettra d approcher les conditions réalistes de la FCI avec les températures de plasma au-delà d un kev et d essayer de démontrer la possibilité de produire des ondes des chocs induites par des pressions supérieures à 300 Mbar. Les thématiques physiques que nous envisageons plus particulièrement d étudier sont : i) la possibilité de créer des ondes de choc liées à des pressions supérieur à 300 Mbar, ii) le développement de diagnostics adaptés à l étude de ces chocs (et de l interaction laser-plasma en général) dans ce régime de pression (et d intensité laser), iii) l étude de la création d électrons chauds dans le régime d intensités lasers typique de l allumage par choc et de leur influence sur le couplage laser-cible et sur les mécanismes de création de l onde de choc. Déroulement de la thèse : La thèse se déroulera au laboratoire CELIA (unité mixte de recherche UBX, CEA, CNRS) sous la direction du Professeur D.Batani et en collaboration étroite avec l équipe théorique qui s occupe des simulations numériques (hydrodynamique, transport des électrons chauds) dans le régime de l allumage par choc. La première partie de la thèse comprendra la réalisation des expériences au LULI et/ou à PALS. La deuxième partie de la thèse comprendra l analyse et l interprétation des données expérimentales en collaboration avec le groupe numérique/théorique. La dernière partie inclura l étude de faisabilité d expériences académiques sur l installation LMJ/PETAL. Directeur de thèse et école doctorale : Prof. Dimitri Batani, ED SPI de l Université de Bordeaux Contacts : Dimitri Batani, [email protected] ; Ph. Nicolaï [email protected] Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 57/104

58 Physique des plasmas Etude du chauffage électronique dans le cadre de la dynamique de chocs non-collisionnels astrophysiques Les phénomènes astrophysiques rencontrés dans l'univers (lorsque par exemple une étoile de la séquence principale explose) et la physique des plasmas chauds en laboratoire. Il y en effet un intérêt à reproduire des phénomènes astrophysiques dans des conditions de laboratoire en utilisant des lois d'échelle afin de mieux connaître cette physique des hautes énergies où les champs magnétiques ont un rôle important dans la dynamique des phénomènes. La compréhension de la production de particules énergétiques émettant un rayonnement dans la gamme des rayons X durs et rayons gamma est un des éléments clés de cette étude. Le rayonnement produit par ces électrons énergétiques pourrait être un outil de diagnostics indispensable aux expériences d'astrophysiques de laboratoire afin de déterminer la signature du rayonnement d'un choc non-collisionnel en confrontant les données expérimentales avec les résultats des simulations numériques. Le groupe Interaction, Fusion par Confinement Inertiel, Astrophysique du Centre Lasers Intenses et Applications (CELIA) étudie théoriquement et au moyen de codes de simulation ces phénomènes dont les principales applications sont l'astrophysique de laboratoire et la fusion par confinement inertiel. Objectif de la thèse : L'objectif de cette thèse est d'étudier le mécanisme de chauffage des électrons lorsque deux plasmas rentrent en collision. Le processus de chauffage électronique est un des premiers processus intervenant dans la formation d'un choc noncollisionnel. La première partie de la thèse consistera à se familiariser avec le code Particle-In-Cell à deux dimensions du CELIA afin d'étudier le chauffage électronique pour une dynamique de choc non relativiste. Le but de la deuxième partie sera de s'intéresser à la dynamique de chocs relativistes et d'étudier le rayonnement produit par les électrons accélérés au front du choc. Il sera aussi question d'étudier l'influence des pertes par rayonnement des électrons sur leur dynamique et voir dans quelles conditions et comment ces pertes radiatives modifient la dynamique générale du processus étudié. Directeur de thèse et école doctorale : E. D Humières et X. Ribeyre (HDR) École doctorale des Sciences Physiques et de l'ingénieur, Université de Bordeaux Contacts : [email protected] et [email protected] 58/104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

59 Physique des plasmas Étude des processus de relaxation d un matériau diélectrique irradié par une impulsion laser intense : application à la structuration de la matière par laser L utilisation de lasers de puissance de plus en plus performants conduit à considérer la tenue au flux des composants optiques (cristaux diélectriques convertisseurs de fréquence (KH2PO4 ou KDP) et optiques en silice (SiO2)). Les applications vont de l optique intégrée, où il faut injecter de la lumière dans de très petites structures, jusqu aux grands lasers comme ceux utilisés pour le projet Mégajoule. Sous l'effet d'un champ intense, au-delà d'une certaine densité d'énergie, les propriétés diélectriques de ces matériaux sont modifiées par le passage d'électron de la bande de valence vers la bande de conduction (ionisation), induisant l'absorption d'une partie de l'énergie laser par ces derniers. Suivant le processus de relaxation de l'énergie ainsi absorbée, un défaut permanent ou une structuration significative de la matière peut alors apparaître en surface du matériau ou en volume. Si les phénomènes sont bien maîtrisés, alors on peut structurer intentionnellement le matériau afin d'obtenir des propriétés optiques particulières (réseau, guide d'onde, etc). Si l'interaction n'est pas maîtrisée, alors elle peut conduire à l'endommagement du composant optique. Afin de pouvoir caractériser et comprendre la formation de ces modifications, il est donc nécessaire d'étudier les différents processus de relaxation intervenant dans un matériau diélectrique pendant et après l'absorption d'énergie laser. Objectif de la thèse : Afin d étudier l excitation et la relaxation électronique induites par absorption de l énergie laser, et les processus de relaxation ionique et thermo-mécanique qui en découlent, les travaux menés au CELIA se sont concentrés jusqu à présent sur des temps d'interaction femtoseconde permettant de simplifier le problème. Dans ce cadre, des modèles de propagation sophistiqués ont été développés. Couplés à des travaux modélisant les processus d excitation et de relaxation électronique, ces modèles permettent de décrire de manière consistante la dynamique électronique lors de la propagation de l impulsion. Les résultats de ces études ont déjà été utilisés pour introduire un terme source réaliste de dépôt d énergie laser dans un code simulant la relaxation hydrodynamique du réseau. Mais ces études se trouvent limitées pour plusieurs raisons : décorrélation temporelle entre dépôt d énergie et relaxation de la matière, non prise en compte des processus de diffusion (chaleurs, ions, défauts) et du comportement mécanique du matériau (élasto-plasticité). Afin de simuler l interaction d une impulsion longue (jusqu à quelques nanosecondes) et intense avec un matériau diélectrique, il est donc nécessaire de développer un outil physico-numérique incluant l ensemble des processus évoqués. Dans un premier temps, ce travail de thèse consistera à étudier de manière indépendante les différents processus physiques de relaxation des électrons et du réseau. Des modèles spécifiques seront développés pour décrire la dynamique électronique et la mobilité des ions ou des défauts. Dans un second temps, un code de propagation incluant les modèles développés sera couplé à un code hydrodynamique existant pour simuler la déformation locale d un matériau diélectrique irradié par une impulsion laser. Des études spécifiques sur les processus donnant lieu à un endommagement seront réalisées. Déroulement de la thèse : Le candidat devra avoir suivi une formation en physique ou mathématiques appliquées, et des connaissances en programmation sont souhaitées. Il intégrera un groupe du CELIA travaillant sur l'interaction laser-matière tant du point de vue théorique qu'expérimental. Directeur de thèse et école doctorale : Benoît Chimier et Guillaume Duchateau (HDR). École doctorale des Sciences Physiques et de l'ingénieur, Université de Bordeaux Contacts : [email protected] ; [email protected] Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 59/104

60 Physique des plasmas Simulations des phénomènes hydro-radiatifs dans les variables cataclysmiques magnétiques dans le contexte de l astrophysique de laboratoire Les variables cataclysmiques magnétiques sont des systèmes binaires en interaction dans lesquels l objet accrétant est une naine blanche possédant un champ magnétique intense. La présence de ce dernier perturbe fortement la dynamique et la structure du plasma accrété. Lorsque le champ magnétique de la naine blanche dépasse 10 MG (on parle dans ce cas d objets de type polar), le plasma est guidé par celui-ci jusqu aux pôles magnétiques de l objet compact sous la forme d une colonne d accrétion. L impact de ce plasma avec la photosphère de la naine blanche mène à la formation d un choc radiatif qui chauffe la matière à des températures de l ordre de kev. Dans ce type de conditions extrêmes le rayonnement perturbe fortement l hydrodynamique de l écoulement et modifie la structure et les propriétés physiques de la zone émissive où s entremêlent des phénomènes radiatifs optiquement mince et épais. Cette région qui produit la majeure partie du rayonnement de hautes énergies possède une extension spatiale relativement petite (de l ordre de km) la rendant inacessible à des observations directes et compliquant sa caractérisation physique. Dans le modèle standard actuel de colonne, le transfert radiatif et l interaction entre le plasma accrété et la photosphère de la naine blanche sont extrêmement simplifiés. Même si ce modèle permet d interpréter de nombreuses propriétés observationnelles des polars, il ne permet pas d interpréter clairement les phénomènes instationnaires observés dans les courbes de lumière (le problème dit des QPOs (Quasi-Periodic Oscillations)) ou encore de rendre compte du bilan global d énergie du rayonnement émis (la problématique de la surémission X-mous). Etant donné la complexité de ces phénomènes, nous avons cherché à déterminer les capacités expérimentales nécessaires afin de faire progresser la modélisation du transfert radiatif de la colonne et la compréhension de la physique de l impact. En exploitant les propriétés de similarité des processus physiques intervenant dans la région de hautes énergies, nous avons montré théoriquement que nous pouvions la reproduire en laboratoire grâce aux lasers de puissance. L obtention d un régime similaire réclame des énergies laser que seules les installations Megajoules (Laser Megajoule ou le NIF) sont capables de délivrer. Le concept expérimental proposé a été validé sur des installations laser intermédiaires (LULI2000, Orion, Omega) dans le cadre du projet d astrophysique de laboratoire POLAR, au cours duquel la possibilité de miniaturiser ces systèmes en laboratoire avec des lasers de puissance a été démontrée pour la première fois. Objectif de la thèse : Dans cette thèse, le (ou la) doctorant(e) travaillera sur l amélioration de la modélisation théorique et numérique du transfert radiatif dans la colonne d accrétion à l échelle astrophysique dans le but d étudier sa dynamique et ses propriétés radiatives. Les résultats obtenus seront comparés aux nouvelles données observationnelles acquises pendant la durée de la thèse. Guidé(e) par son travail à l échelle astrophysique, le (ou la) doctorant(e) travaillera sur le dimensionnement d expériences que l on proposera dans les prochaines années sur les installations Mégajoules (LMJ, NIF) dans l objectif de produire pour la première fois un régime similaire de choc d accrétion en laboratoire. Pour cela il (ou elle) devra adapter les schémas de cibles testés lors des campagnes expérimentales précédentes réalisées sur les installations laser intermédiaires. Enfin, il (ou elle) sera amené(e) à réfléchir à la définition d expériences laser nouvelles dédiées à l étude des phénomènes physiques expliquant la dynamique des courbes de lumière observées et de la physique de l impact entre la photosphère de la naine blanche et le plasma accrété. Déroulement de la thèse : Au cours de cette thèse le (ou la) doctorant(e) travaillera à la fois au CEA/DIF et au Service d Astrophysique de Saclay. Il (ou elle) accédera aux codes de simulation du CEA/DAM pour le dimensionnement des expériences laser et aux outils numériques développés au SAP pour la modélisation astrophysique de la colonne d accrétion. Directeur de thèse et école doctorale : Emeric Falize CEA/DIF Jean-Marc Bonnet-Bidaud CEA/DSM/Sap Ecole Doctorale d Astronomie et d Astrophysique de Paris ED127 Contact : Emeric Falize CEA/DAM Ile de France /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

61 Physique des plasmas Effets radiatifs et quantiques dans l'interaction laser-matière ultra-relativiste L'avènement d'une nouvelle génération de lasers ultra-relativistes (d'éclairements supérieurs à 1022 W/cm2), tels le laser APOLLON en construction sur le plateau de Saclay ou le projet européen ELI (censé dépasser 1023 W/cm2), donnera lieu à un régime d'interaction laser-matière sans précédent, couplant physique des plasmas relativistes et effets d électrodynamique quantique (QED). Sources de particules et de rayonnements aux propriétés énergétiques et spatiotemporelles inédites, ces lasers pourront servir, entre autres applications, à la mise au point de nouveaux concepts d'accélérateurs et de diagnostics radiographiques, au chauffage de plasmas denses, comme à la reproduction de configurations astrophysiques en laboratoire. Objectif de la thèse : En prévision des futures installations, les codes cinétiques particle-in-cell (PIC), qui constituent les outils de référence pour la simulation de l'interaction laser-plasma, doivent être enrichis des processus radiatifs et QED propres à ce nouveau régime d'interaction. C'est le cas du code CALDER développé au CEA/DAM, qui, après un premier travail de thèse sur le sujet, modélise désormais une partie des processus radiatifs et de création de paires électron-positron. De nature théoriconumérique, le travail de thèse proposé visera à : Hiérarchiser l ensemble des mécanismes radiatifs (synchrotron, Bremsstrahlung) et de création de paires (Breit- Wheeler, Bethe-Heitler, Trident) en fonction des paramètres laser-cible. Concevoir des scénarios d interaction réalistes (en termes de paramètres physiques comme de géométrie 3D) optimisant ces effets dans le cadre des prochaines expériences APOLLON (i.e., pour des éclairements d environ 1022 W/cm2). L accent sera mis sur les mécanismes électromagnétiques (synchrotron et Breit-Wheeler/Trident), dont l étude est à ce jour restreinte à des accélérateurs de particules de grande ampleur (SLAC). Étudier l influence de ces processus dans un certain nombre de scénarios physiques en champ extrême (accélération électronique et ionique dans des plasmas sous- ou sur-critique, génération d harmoniques XUV, etc.). Déroulement de la thèse : Le doctorant disposera du code multi-dimensionnel CALDER au sein duquel il effectuera divers développements physiconumériques. Les processus Trident Coulombien et électromagnétique seront notamment modélisés selon une technique Monte Carlo similaire à celles mises en œuvre pour les processus synchrotron et Breit-Wheeler. Sur le plan numérique, il contribuera à l adaptation du code à la multiplication des unités de calcul par processeur sur les futurs calculateurs. Pour cela, une parallélisation hybride MPI/threads sera utilisée pour exploiter les ressources mémoire partagées entre les cœurs d'un même processeur. Les communications MPI ne se feront alors plus qu'entre sockets, au bénéfice du temps de calcul global. Toujours à des fins d optimisation, l étudiant mettra en place des techniques de load balancing dynamique, permettant d'équilibrer au cours du temps la charge de calcul de chaque cœur/processeur, et ainsi d'éviter des accumulations de macro-particules pénalisantes pour le temps de calcul. Les compétences acquises par le doctorant au terme de cette thèse porteront aussi bien sur la modélisation de l interaction laser-plasma ultra-relativiste que sur le calcul haute performance. Le doctorant sera aussi amené à présenter ses travaux lors de communications orales et écrites. Directeur de thèse et école doctorale : Emmanuel D HUMIÈRES (Université de Bordeaux, CELIA, Talence, France) École doctorale des sciences physiques et de l ingénieur (SPI) de l Université Bordeaux 1(ED 209) Contacts : L. Gremillet ([email protected]) CEA/DAM Ile de France E. d Humières ([email protected]) Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 61/104

62 62/104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

63 ILE DE FRANCE VALDUC Le RIPAULT CESTA GRAMAT Optique et lasers Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 63/104

64 Optique et lasers Étude d un amplificateur laser 1J 10Hz à 1053nm De grandes installations d étude de physique par laser de puissance ont été développées au cours des dernières années (NIF National Ignition Facility aux Etats-Unis ou LMJ Laser MégaJoule en France). Ces installations utilisent des lasers dont la cadence est limitée par la durée de l'alignement alors que leur puissance est limitée notamment par l endommagement des composants optiques qui les composent. Les chaînes lasers de ces installations sont injectées par un pilote dont la cadence est aujourd'hui limitée à 1 tir toutes les 5 minutes. Un pilote à cadence de tirs plus élevée permettrait de simplifier l exploitation de la chaîne de puissance. Il serait également un outil indispensable à la compréhension et la maîtrise de l endommagement des composants optiques. Le matériau amplificateur Nd : Phosphate des chaînes de puissances impose une longueur d onde centrée à 1053 nm. Or, aujourd hui il existe des solutions proches en termes d énergie comme de puissance moyenne mais à une longueur d onde 1064 nm ou à 1030 nm. De plus elles présentent rarement des qualités spatio-temporelles répondant à nos exigences. Ces contraintes fortes font qu il n existe aujourd hui aucune solution! Donc, le développement d un pilote à cadence élevée passera par des études sur de nouveaux matériaux et de nouvelles architectures associées. La première partie de ces études sur les matériaux a débuté en collaboration avec le CIMAP à Caen. L objet de ce sujet d étude est de développer la deuxième partie. Objectif de la thèse : Il s agira de dimensionner une tête amplificatrice permettant de délivrer un faisceau 1J à 10 Hz en régime nanoseconde et picoseconde Déroulement de la thèse : Dans un premier temps l étudiant devra quantifier expérimentalement les effets thermiques limitant actuellement la cadence. Il testera de nouveaux matériaux dans des architectures simples. Ces résultats lui permettront de valider des codes de calculs couplant les effets lasers aux effets thermiques. Ensuite grâce à l expérience acquise il pourra, en collaboration avec les équipes du CEA, proposer de nouvelles architectures de têtes amplificatrices. Enfin il en fera une démonstration expérimentale. Pour ces travaux, l étudiant s appuiera sur les oscillateurs développés par le CEA/CESTA et sur de nouveaux matériaux en cours de développement en collaboration avec le CIMAP. Il utilisera des codes de calcul en cours de développement au CEA/CESTA et pourra être force de proposition pour leur évolution. La thèse s appuiera sur des travaux expérimentaux couplés à des modélisations. Elle nécessitera des collaborations académiques. La thèse se déroulera sur les installations du CEA/CESTA. Directeur de thèse et école doctorale : S. MONTANT (CEA/CESTA) Ecole doctorale des sciences physiques et de l ingénieur de l Université de Bordeaux (ED 209) Contact : S. Montant CEA/Cesta /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

65 Optique et lasers Endommagement surfacique et volumique de la silice avec des faisceaux laser de type LMJ Dans le cadre du projet Laser Mégajoule (LMJ), le Laboratoire Métrologie Optique a en charge l étude de l endommagement laser des composants optiques. Il est équipé de plusieurs bancs de mesure pour l analyse expérimentale de la tenue au flux laser des différents composants de la chaîne LMJ. Pour compléter sa plateforme, le laboratoire a développé un moyen expérimental permettant de tester les composants avec des faisceaux de grandes dimensions (environ 5 mm de diamètre) et aux propriétés représentatives des impulsions LMJ en termes de durée et forme d impulsion (variables dans la gamme de la nanoseconde) et de modulations de phase. Cet outil permet d étudier deux des aspects critiques de l endommagement laser sur une chaîne laser de puissance : la croissance des dommages surfaciques : l étude est d autant plus pertinente que le faisceau de test est grand devant la taille des dommages et qu une étude paramétrique permettra d appréhender la croissance en fonction des différents paramètres de l impulsion laser (durée et modulations de phase), l impact de la forme temporelle (durée et profil) des impulsions laser sur l'amorçage des dommages. Cette étude trouvera tout son intérêt de par la qualité de l instrumentation des expériences et, à nouveau, de la modularité des impulsions laser. Objectifs de la thèse : Le premier objectif de la thèse est d obtenir une connaissance expérimentale du sujet sur ces deux aspects d endommagement de la silice : dégradation de la tenue au flux de l optique due à l apparition des dommages puis à leur croissance. Le second objectif est de travailler de concert avec les équipes de théoriciens et de numériciens pour tenter de modéliser les phénomènes physiques mis en jeu lors de ces deux phases. Déroulement de la thèse : En collaboration avec une équipe d ingénieurs et de techniciens, le doctorant réalisera d une part les différents tests et plus précisément, il participera : au développement de l installation et sa caractérisation. Une grande attention sera portée à la mise en place de diagnostics permettant de qualifier les faisceaux lasers (détecteurs pyroélectriques, photodiodes/oscilloscopes, caméra CCD et caméra à balayage de fente), à la définition et mise en place des procédures de tests permettant les mesures d'amorçage et de croissance des dommages précises et justes, aux expériences, leurs dépouillements et leurs interprétations dans l'objectif d'en extraire des lois théoriques. Dans le même temps, des travaux de modélisation seront réalisés avec le soutien des modélisateurs et théoriciens. Les mécanismes gouvernant la croissance des dommages seront traités depuis les petits dommages (quelques micromètres) jusqu aux gros dommages (de plusieurs millimètres). Modélisations et expériences seront menées en parallèle pour une meilleure compréhension des mécanismes d endommagement. La pertinence de ces deux études permet d envisager la rédaction de plusieurs articles scientifiques dans des journaux à comité de lecture. Une attention particulière sera portée à l atteinte de cet objectif. Le doctorant sera également amené à présenter ses résultats lors de congrès nationaux et internationaux où il rencontrera la communauté scientifique travaillant sur ces thématiques. Directeur de thèse et école doctorale : Lamaignère Laurent ED Sciences Physiques et de l Ingénieur (ED 209) Contact : Laurent Lamaignère CEA/Cesta Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 65/104

66 Optique et lasers Etude des propriétés inédites dans le domaine dense et tiède des métaux excités par du rayonnement laser de durée sub-picoseconde L irradiation des matériaux par un faisceau laser infra-rouge de durée sub-picoseconde permet de créer pendant une durée très courte des matériaux avec des propriétés inédites. Ces nouvelles propriétés proviennent de la relaxation entre les électrons excités et les phonons. Ce type d expériences est l occasion d étudier des métaux lourds dans un régime WDM à la densité du solide et de tester la capacité prédictive des codes de dynamique moléculaire quantique (ab initio). L enjeu est de démontrer que ces codes permettent de quantifier les mécanismes qui apparaissent pendant et après l irradiation laser dans des matériaux aux structures électroniques complexes (bandes d et f partiellement occupées), dans un régime thermodynamique pertinent et jamais exploré auparavant. Objectif de la thèse : L objectif est double. En collaboration avec le Laboratoire d Optique Appliquée (LOA, Palaiseau), nous proposons d utiliser la source X blanche dite Betatron pour sonder les matériaux irradiés près des seuils photoélectriques et de mesurer, via l apparition ou non de pré-seuils, l effet de l irradiation laser sur la structure électronique et ainsi de suivre grâce à un diagnostic de spectroscopie d absorption X près des seuils (XANES) l effet de la température sur l occupation des bandes d un métal excité. L interprétation des spectres XANES sera réalisée en collaboration avec des théoriciens du CEA/DIF. Le(la) doctorant(e) utilisera l implantation du XANES introduite dans le code Abinit pour quantifier les effets de l excitation, et donc de la température électronique, sur l occupation de ces bandes. Déroulement de la thèse : La thèse se déroulerait en plusieurs phases. Il sera demandé au doctorant(e) une étude bibliographique sur les mécanismes d interaction laser-matière dans le régime ultra-court à basse intensité laser. Cette étude sera poursuivie par la réalisation de calculs de dimensionnement 0D (modèle à deux températures électronique et ionique) puis 1D (simulations hydrodynamiques) qui serviront à identifier les régimes de fluence qui permettent de mettre en évidence un effet important sur les spectres d absorption X. Ce travail de dimensionnement sera suivi par la réalisation d expériences au LOA et la mesure de spectres XANES résolus en temps. Enfin, un travail d interprétation théorique fera l objet de la dernière partie de la thèse avec l utilisation du code de dynamique moléculaire quantique abinit développé au CEA. Directeur de thèse et école doctorale : Fabien Dorchies, Laboratoire CELIA, Université de Bordeaux Contact : P. Renaudin CEA/DAM Ile de France /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

67 Optique et lasers Contrôle de rayonnements THz intenses produits par lasers femtosecondes et applications à la détection de molécules Interaction laser-matière - Sources THz pour l identification de matériaux énergétiques Objectif de la thèse : Les progrès technologiques récents ont rendu possible la production d'impulsions laser ultracourtes de forte puissance proche du Petawatt (= 1015 W). En régime de faible focalisation, ces impulsions sont couramment employées dans les techniques de spectroscopie ultrarapide, les installations Lidar et le transport d'énergie sur de grandes distances. En régime de focalisation forte, les intensités délivrées par ces sources peuvent dépasser les 1020 W/cm2 et générer des plasmas fortement relativistes, à partir desquels des électrons ou des ions peuvent être accélérés à de grandes énergies. Produisant des phénomènes non-linéaires importants, les sources laser femtosecondes sont aussi utilisées pour créer des harmoniques d'ordre élevé dans le domaine XUV afin de sonder des phénomènes ultrabrefs comme des transitions électroniques ou des phénomènes d'ionisation. A l'autre extrémité du spectre électromagnétique, ces mêmes sources peuvent exciter les régions basses du spectre et créer ainsi du rayonnement térahertz (THz), utilisé cette fois pour sonder des mouvements lents comme les transitions vibrationnelles et rotationnelles des molécules. Parce que tout corps présente une signature THz qui lui est propre, l'exploitation de ce domaine spectral trouve des applications variées dans la mise au point de nouveaux systèmes de spectroscopie fine résolue en temps. Les impulsions laser ultrabrèves présentent l avantage de développer un spectre large qui peut être modifié au cours de leur propagation dans des gaz, comme l air ou les gaz nobles. Le couplage de ces impulsions au sein du plasma qu elles produisent permet de générer des champs THz à bande spectrale étendue et à une amplitude inégalée, excédant plusieurs GV/m. Ces ondes THz servent de nos jours à détecter et à identifier des molécules énergétiques. Elles pourraient aussi servir à modifier leurs propriétés en manipulant les mouvements rotationnels et vibrationnels qui les caractérisent. Ce nouveau champ de la physique demande un travail de modélisation théorique et numérique totalement novateur, à la croisée de l optique non-linéaire extrême et de la physique des plasmas classiques et relativistes. L objectif de la présente thèse est de déterminer les régimes de génération de plasma et d interaction lasermatière sur un large domaine d intensités laser donnant accès aux champs THz les plus élevés, et privilégiant une adaptation de leur spectre aux applications recherchées. Déroulement de la thèse : La première année de la thèse consistera à acquérir les connaissances bibliographiques nécessaires au travail proposé. L étudiant(e) sera invité(e) à modéliser théoriquement et numériquement la propagation de deux impulsions laser femtosecondes couplées, pour optimiser aussi bien la génération de sources terahertz que le rayonnement produit aux fréquences très supérieures à celles du champ optique. La deuxième année de thèse aura pour objectif de tester le modèle théorique de l étudiant(e) et optimiser le rayonnement THz calculé à partir de simulations exhaustives employant des codes de propagation et des codes cinétiques de type «particle-in-cell» massivement parallèles. L étudiant(e) acquerra ainsi une formation dans le calcul haute performance et pourra utiliser les machines exaflopiques de nouvelle génération. La troisième année de thèse sera consacrée à la confrontation des résultats théoriques et numériques acquis par l étudiant(e) avec des données expérimentales directes obtenues dans le cadre de collaborations européennes ou nationales et sur des thématiques propres du CEA. Cette dernière année sera aussi celle de la rédaction du mémoire de thèse. Directeur de thèse et école doctorale : Luc Bergé (HDR) - Ecole Doctorale : Ondes et Matière Contact : Luc Bergé [email protected] CEA/DAM/ Ile de France Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 67/104

68 68/104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

69 Le RIPAULT ILE DE FRANCE VALDUC CESTA GRAMAT Physique de la Matière Condensée Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 69/104

70 Physique de la matière condensée Etudes d équations d état en compression quasi-isentropique 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. En effet, l oxyde de fer est l un des principaux composants du manteau inférieur de la terre, et sa présence sous forme de poches localisées est fortement suggérée à la frontière cœur-manteau, ainsi que dans la composition du cœur lui-même. Or, bien qu ayant fait l objet de plusieurs études à haute pression en cellules enclume diamant ainsi que de nombreux calculs ab-initio, le diagramme de phase, particulièrement riche du FeO, demeure mal connu. 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 (EDXAF) sous choc, et d autre part des mesures de vitesse du son, voire de densités sous chargement quasiisentropique. La démarche suivie pour cette étude sera étendue à d autres matériaux tels que les oxydes de type ZrO2-Y2O3 ou encore MgO. Objectif de la thèse : 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 et EDXAS 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. Déroulement de la thèse : 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. 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 et EXAF 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 et destinées à étudier les structures cristallographiques sous chargement par choc laser par diffraction X et spectroscopie d absorption X en énergie dispersive (EDXAS), respectivement sur les lignes de lumière ID19 et ID24 de l ESRF. Directeurs de thèse et école doctorale : T. d Almeida (CEA) / D. Antonangelli - Université Pierre et Marie Curie Contact : Thierry d Almeida CEA/GRAMAT /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

71 Physique de la matière condensée Simulation de la post combustion turbulente des produits de détonation avec l air Le comportement détonique des explosifs solides composites et coulés-fondus, est souvent non idéal où des réactions de combustion entre les produits de détonation (i.e. additifs métalliques espèces oxygénées, sels produits gazeux de détonation) sont présentes à la fois dans la détente des produits de détonation et dans leur expansion dans l air. De plus, ces réactions sont accompagnées de réactions de combustion avec l oxygène de l air, dite aérobie, ce qui rend difficile leur étude et leur modélisation de façon indépendante. La caractérisation du comportement détonique de ces explosifs est le domaine de prédilection du Centre de Gramat et n est pas abordée dans les autres centres du CEA/DAM. Les études passées ont beaucoup porté sur la modélisation des caractéristiques détoniques et des effets des explosifs solides quasi-idéaux. La modélisation des réactions anaérobies dans les explosifs non idéaux reste encore sommaire du fait des conditions thermomécaniques rencontrées en détonation (plusieurs milliers de Kelvin et de bars dans les premiers instants suivis d une détente extrêmement violente). Quant à la modélisation des réactions aérobies, plusieurs modèles ont été développés suivant diverses approches (à un fluide, à deux fluides, dépôt d énergie dans une partie de l écoulement), mais de nombreuses questions restent encore sans réponse. La combustion aérobie s effectue en régime supersonique et turbulent et est caractérisée par des nombres de Mach turbulents élevés : elle s effectue dans une zone de l écoulement où l onde de choc aérienne n est pas détachée des produits issus de la détonation. Dans le contexte du développement d armements à effets de souffle renforcés, il est recherché une augmentation de la durée de cette combustion aérobie pour allonger le temps d application de la pression sur les milieux connexes. La modélisation de la combustion turbulente supersonique dans le contexte d une explosion aérienne est l objet de ce sujet de thèse. Objectif de la thèse : Comme on vient de le voir, la détonation des explosifs à effets de souffle renforcés ne se limite pas à la seule propagation d une onde de détonation dans l explosif, ni même à la combustion ultérieure d un éventuel chargement en particules métalliques mais est prolongée par la réaction des produits de détonation avec l oxygène de l air, réaction qui contribue de façon importante à l énergie dégagée par l explosif et qui a pour effet de maintenir plus longtemps la pression derrière l onde de choc afin d augmenter l impulsion associée. La modélisation et la compréhension de ces phénomènes relèvent d une problématique de combustion turbulente supersonique, domaine étudié dans les problématiques de foyers aéronautiques. On se propose d essayer de tirer parti de tous les acquis obtenus dans ce domaine d application pour explorer les méthodes les plus récentes de simulation détaillée de la combustion turbulente supersonique. Les états thermomécaniques atteints dans l air et les produits de détonation (températures de plusieurs milliers de Kelvin et pressions de plusieurs dizaines à plusieurs milliers de bars dans les premiers instants) rendent difficiles la mesure expérimentale. La simulation numérique détaillée reste, à ce jour, une solution de choix pour valider ou invalider les modélisations actuelles, voir s y substituer si les temps de calcul le permettent. Déroulement de la thèse : En première étape, le doctorant conduira une étude bibliographique et une analyse critique des publications françaises et étrangères sur le sujet. En deuxième étape, il exploitera les nombreuses données expérimentales obtenues au Centre de Gramat. En troisième étape il devra définir des cas génériques et proposera une stratégie de simulation détaillée (Simulation Directe, dite DNS, à petite échelle, Simulation des Grandes Echelles dite LES, Simulation Hybride ) sur des applications identifiées conjointement avec l encadrant CEA et le directeur de thèse universitaire. Il s intéressera dans cette première phase à des géométries non confinées (symétrie globalement sphérique, ou hémisphérique). En quatrième étape, il pourra aborder le cas de géométries confinées (détonation dans un local ou dans une portion de géométrie urbaine). La validation de ces développements pourra également faire l objet de quelques expérimentations complémentaires et de mesures pertinentes à réaliser ou développer (en fonction de la sensibilité aux paramètres des modèles et des phénomènes). Directeur de thèse et école doctorale : IMFT Toulouse ou ENSMA Poitiers Contact : Marc Genetier CEA/Gramat Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 71/104

72 Physique de la matière condensée Equation d état thermodynamique des produits issus de déflagrations et de détonations d explosifs condensés poreux : étude théorique et expérimentale Les modèles thermochimiques sont aujourd hui conçus pour prédire la détonation autonome stationnaire et les effets balistiques d un explosif dense. Ils permettent de calculer leur état thermodynamique de détonation et la détente isentropique des produits de détonation issue de cet état. Les données expérimentales correspondantes sont bien restituées et permettent d élaborer des équations d état macroscopiques utilisées dans des codes de calcul d hydrodynamique rapide. Pour des explosifs poreux, les états de détonation sont assez bien calculés, mais la détente isentropique n a jamais été étudiée. Leurs états de déflagration quasi-stationnaire ne sont actuellement pas calculés dans les codes thermochimiques. De nouveaux concepts de munitions à effets réglables utilisent la propagation maîtrisée de déflagrations. Par ailleurs, des états thermodynamiques similaires sont rencontrés dans l amorçage en détonation à l échelle microscopique où des déflagrations sont créées sur les sites d initiation (points chauds), ainsi que dans la combustion turbulente aérobie des produits de détonation. L équation d état des produits finaux de réaction est la pierre angulaire de la modélisation de ces phénomènes. Ce projet de thèse s inscrit dans le cadre du développement d un logiciel de thermochimie maîtrisé au profit de la Direction Générale de l Armement (DGA), ainsi que dans la thématique prioritaire 2014 propergols et matériaux hautement énergétiques (Sécurisation de l amorçage et augmentation des performances) du document de Politique et Objectifs Scientifiques de la DGA. Deux partenaires industriels sont intéressés : NEXTER Munitions et HERAKLES. Objectif de la thèse : L objectif de cette thèse est de mettre en place des expériences de laboratoire permettant d accéder à de tels états thermochimiques et d effectuer leur modélisation à la fois dans les codes thermochimiques et dans les codes d hydrodynamique rapide afin de pouvoir traiter la propagation d une déflagration quasi-stationnaire, d améliorer les modèles d amorçage à l échelle microscopique et de compléter les modèles de combustion des produits de détonation avec l oxygène de l air. Déroulement de la thèse : Deux aspects importants sont à considérer. D une part, il faut créer en laboratoire des états thermochimiques issus de détonations / déflagrations d explosifs poreux et étudier leur évolution en fonction de la porosité et du taux de détente des produits de réaction. D autre part, il faut mettre en place une modélisation adaptée dans des codes de thermochimie et de dynamique rapide. Il importe de travailler sur des explosifs facilement modélisables d un point de vue thermochimique. L utilisation de compositions explosives pressées écoles permet de faire varier la porosité de façon à pouvoir obtenir aussi bien un régime de détonation que de déflagration. La réalisation de compositions à porosité croissante permet également d obtenir des mélanges de gaz avec une teneur en carbone solide allant de quelques moles à une valeur nulle. La détonation ou la déflagration de tels explosifs, suivie d une détente dans un milieu connexe permet d étendre le domaine de validation des logiciels thermochimiques dans des états très éloignés de ceux généralement obtenus pour les explosifs solides classiques. Il est proposé d expérimenter la détonation / déflagration de massifs explosifs cylindriques confinés dans un cylindre métallique, suivie d une détente dans un gaz neutre ou un matériau plastique radio transparent afin de mettre en œuvre une technique de radio-interférométrie pour mesurer la célérité de l onde réactive et la vitesse du choc généré dans le gaz ou le matériau plastique. Ces données permettront de construire la courbe de détente isentropique des produits de détonation / déflagration. L association de mesures spectroscopiques permettra d accéder à une information sur l abondance des gaz et du carbone solide. Ces données expérimentales feront l objet de comparaisons avec la théorie. Directeurs de thèse et école doctorale : Gérard Baudin (CEA/Gramat) et Aswhin Chinnayya, Institut P Poitiers Contacts : Gérard Baudin CEA/Gramat /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

73 Physique de la matière condensée Étude de l endommagement des matériaux énergétiques soumis à une agression d origine mécanique de faible amplitude La sécurisation des munitions passe par l étude du comportement des matériaux énergétiques ayant subi une agression d origine mécanique. Le CEA/Gramat travaille 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 être un outil fondamental pour étudier localement les 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 dits 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. Objectif de la thèse : Sur la base des données précédentes, le but des travaux de cette thèse est de développer des outils numériques permettant d extraire les paramètres de l endommagement représentatifs de l endommagement de matériaux granulaires. Déroulement de la thèse : Dans un premier temps, il s agit d extraire les paramètres des lois de comportement des constituants à partir de données microtomographiques 3D d essais in situ. L étape suivante nécessite d écrire les fonctionnelles de minimisation pénalisées et de spécialiser les algorithmes de corrélation sur la partie mécanique de l endommagement afin de programmer des algorithmes de minimisation. Afin de valider les travaux précédents, la réalisation de tests des algorithmes sur la base de données microtomographiques s avère indispensable. Puis c est la construction de maillages adaptés à la géométrie de l endommagement qui sera effectuée afin d en extraire les paramètres d endommagement. Directeur de thèse et école doctorale : François Hild ENS Cachan Contact : Vaullerin Maryse CEA/Gramat Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 73/104

74 Physique de la matière condensée Étude ab-initio de transitions de phases dans des oxydes et métaux fortement corrélés La structure électronique des solides par des calculs ab-initio a connu une importante avancée avec la méthode de la fonctionnelle de la densité (DFT) établie dans les années 60 par Hohenberg et Kohn. Cette méthode, dans les approximations de la densité locale (LDA) et du gradient généralisé (GGA), a montré son efficacité pour décrire de nombreux semi-conducteurs, métaux légers et isolants à transfert de charge. Néanmoins, cette méthode échoue à décrire des systèmes dans lesquels les couches 3d, 4f ou 5f sont partiellement remplies : Certains systèmes isolants sont décrits comme des métaux, et le volume de certains systèmes (ex : NiO, Ce) sont sous-estimés jusqu'à 20%), pour ne citer que deux exemples. Ces erreurs proviennent du fait que les approximations LDA et GGA sont basées sur le gaz d'électron homogène. Or les orbitales 3d, 4f ou 5f sont particulièrement localisées : les électrons qui s'y trouvent sont donc aussi particulièrement proches les uns des autres et donc interagissent fortement. Ces interactions locales ne sont donc pas prises en compte explicitement par les approximations LDA et GGA. Un moyen de corriger cela est de prendre en compte dans l'hamiltonien un terme dit de Hubbard. La résolution de ce terme par la méthode de champ moyen statique donne la méthode LDA+U. Cette méthode permet une description correcte des isolants dont le caractère isolant est dû aux corrélations (que ce soit des isolants de Mott ou à transfert de charge). Néanmoins les métaux corrélés, ainsi que les isolants paramagnétiques, ne peuvent être décrits par cette méthode. De plus, un certain nombre de systèmes présentent une transition entre une phase où les électrons sont localisés et une autre phase où les électrons sont délocalisés (ex : le cérium ou l'oxyde de manganèse). Dans ce cas, la méthode LDA permet de décrire une phase, et la méthode LDA+U l'autre, mais la transition ne peut être décrite par aucune des deux méthodes. Pour corriger les déficiences théoriques (champ moyen statique) et pratiques (transition non décrite) de la méthode LDA+U, la méthode LDA+DMFT est utilisée depuis une dizaine d'années. Elle est basée sur la combinaison entre la DFT-LDA et la méthode de champ moyen dynamique (DMFT). Elle permet de résoudre exactement les corrélations locales (sur un atome) au prix de la résolution d'un problème à N corps. Objectif de la thèse : De nombreuses applications récentes ont montré que la méthode permet de décrire au moins qualitativement des transitions de phases dues à la corrélation dans des solides. Néanmoins des progrès restent à accomplir pour améliorer l'aspect quantitatif de la méthode et pour l'étendre à des systèmes plus complexes. Nous avons entrepris plusieurs mises en œuvre de la méthode afin de la tester, de la rendre plus précise et d'élargir son champ d'application. Ces améliorations rendent possibles des études plus systématiques et précises des transitions de phases. L objectif de la thèse sera d explorer des voies d amélioration pour étendre la méthode à des systèmes plus complexes : accès à de nouvelles quantités physiques (spectroscopiques, thermodynamiques), description du magnétisme, calcul de l'interaction écrantée, propriétés dynamiques. Déroulement de la thèse Le doctorant devra donc être motivé par le développement et la mise au point de méthodes (programmation informatique). Le doctorant sera aussi intéressé par la compréhension des effets des fortes interactions entre électrons sur les propriétés physiques de la matière condensée (magnétisme, spectroscopie, thermodynamique). Pour cela, il devra avoir une formation en mécanique quantique, physique des solides, et problème à N corps, ou bien être motivé pour apprendre. Directeur de thèse et école doctorale : François Jollet - [email protected] - CEA/DAM lie-de-france Contact : Bernard Amadon [email protected] - CEA/DAM lie-de-france /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

75 Physique de la matière condensée Effets des corrélations électroniques et du couplage spin-orbite le long de la série des oxydes d'actinides 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. Objectif de la thèse : 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. Déroulement de la thèse : 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 Contacts : François Bottin, Grégory Geneste et Boris Dorado CEA/DAM Ile de France Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 75/104

76 Physique de la matière condensée Calcul ab initio de spectres de phonons en température et équation d'état 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. Objectif de la thèse : Obtenir les spectres de phonons en température et construire les équations d'état de plusieurs matériaux (Fe, Ti, U...). Déroulement de la thèse : 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 Contacts : François Bottin et Johann Bouchet CEA/DAM Ile de France /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

77 Physique de la matière condensée Synthèse de polymères d azote par pression comme propergol du futur L amélioration des systèmes de propulsion est nécessaire pour certains projets de missions spatiales. D'un point de vue purement énergétique, la caractéristique qu'il faut améliorer est le rapport entre l'énergie relâchée au cours de la réaction sur la masse spécifique. Ce sujet de thèse, propose un concept en rupture technologique avec les systèmes actuels de propulsion. Les meilleures performances actuelles sont obtenues en utilisant la réactivité des mélanges O2/H2. Des composés qui conduiraient à de meilleures performances sont appelés dans la littérature High Energy Density Materials (HEDM). La grande majorité de la littérature sur les HEDM porte sur la synthèse de molécules comportant des chaines longues d azote, <N5, N8 ou N10. Le paramètre pression offre des possibilités radicalement nouvelles de synthétiser des matériaux HEDM. La pression permet de casser la liaison triple et l arrangement compact des molécules permet aux atomes de se réarranger dans une structure polymérique en 3 dimensions. La liaison triple est transformée ainsi en 3 liaisons simples permettant de stocker une très grande quantité d énergie. Le poly-n est ainsi le matériau HEDM ultime. L azote polymère a été synthétisé en 2001, vers 100 GPa (Nature Materials 3, 558 (2004)). De nombreuses questions demeurent : comment ramener cette phase énergétique à pression ambiante, pour favoriser son utilisation? Peut-on synthétiser l azote polymère dans des conditions moins extrêmes de pression? Y a-t-il d autres formes plus exotiques d azote polymère que celles observées jusqu à présent? Nos travaux récents avec l observation d un composé (N2)6Ne7 (PRL 113, (2014)) ou montrant l influence de l hydrogène pour abaisser la pression de transformation de la triple liaison en simple liaison entre atomes N (Soumis à Nature Communication) offrent des pistes prometteuses. Objectif de la thèse : Le but de la thèse sera de rechercher des matériaux HEDM en partant de mélanges N2/gaz rares, N2/H2 ou N2/O2. De nouveaux composés stœchiométriques, dit de van der Waals, devraient être découverts qui offriront des topologies variées pour polymériser le sous réseau d azote. La synthèse de ces composés sous forme de nano-cristaux, à l aide d une mise en pression dynamique, devrait favoriser leur stabilisation à pression ambiante. L interaction chimique avec H2 ou O2 servira de catalyseurs. L utilisation d une photochimie dans l UV ou multi-photonique permettra aussi d abaisser fortement les pressions de transformation. Déroulement de la thèse : Les expériences seront effectuées à l aide d une presse à enclumes de diamant. La pression pourra alors être couplée à de hautes températures par chauffage laser. Des processus photochimiques seront aussi testés pour passer les barrières d'activation. La caractérisation des matériaux obtenus sera faite par des mesures de spectroscopie Raman et d absorption infra-rouge dans notre laboratoire ainsi que par des mesures de diffraction X devant les lignes de diffraction des synchrotrons de l'esrf ou de SOLEIL. Directeur de thèse et école doctorale : Paul Loubeyre Contact : Paul Loubeyre CEA/DAM Ile de France [email protected] Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 77/104

78 78/104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

79 Le RIPAULT ILE DE FRANCE VALDUC CESTA GRAMAT Physique Nucléaire Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 79/104

80 Physique nucléaire Description unifiée des états nucléaires de type cluster et liquide quantique à l'aide de fonctionnelles de la densité La richesse des interactions entre les nucléons dans un contexte de problématique à N corps quantiques où les effets de taille finie sont prépondérants permet aux systèmes nucléaires d exhiber différents états de matière. Aussi les noyaux atomiques révèlent-ils une phase de type liquide quantique, dans laquelle les constituants fermioniques se retrouvent délocalisés dans le volume nucléaire. Les nucléons peuvent encore s organiser dans des sous-structures localisées au sein même du noyau appelées clusters. Cette structuration des nucléons dans le noyau est associée à une phase hybride entre le liquide quantique et le cristal nucléaire. La compréhension des propriétés d un tel état de la matière trouve des répercussions importantes non seulement au niveau des propriétés spectroscopiques des systèmes nucléaires, mais également pour expliquer l émergence de la vie à travers la synthèse d éléments carbonés dans le cœur des étoiles, pour comprendre le mécanisme de fragmentation nucléaire lors des collisions d ions lourds, ou encore pour décrire le phénomène de radioactivité cluster récemment apparenté au phénomène de fission dans un régime d asymétrie importante. Les approches microscopiques de type fonctionnelle de la densité sont des outils de choix pour appréhender la richesse de schémas selon lesquels les nucléons s organisent dans les noyaux dans un cadre unifié. Reposant dans une première étape sur les notions de champ moyen dans lequel les corrélations nucléoniques statiques sont incorporés à travers le mécanisme de brisure spontanée de symétries (HFB pour Hartree-Fock-Bogoliubov), elles expriment leur plein potentiel de prédiction après la mise en œuvre d une seconde étape au-delà du champ moyen incorporant des corrélations dynamiques à travers des techniques de type mélange de configurations (GCM pour Generator Coordinate Method). Objectif de la thèse : Dans la continuité de récents travaux de l équipe d'accueil, l'objectif de la thèse consiste à poursuivre les développements autour des approches relativiste et non relativiste de type fonctionnelle de la densité afin de fournir une description microscopique et unifiée de la nature duale liquide quantique/cluster des noyaux. En particulier, la mise en place de techniques de type projection permettra d étudier l influence des corrélations au-delà du champ moyen sur la structure en cluster en plus de fournir des informations spectroscopiques à confronter aux données expérimentales. L application de ces techniques au phénomène de radioactivité cluster approfondira les liens entre la clusterisation et la fission. Déroulement de la thèse : Le travail de thèse s organise autour de deux axes principaux. Le premier axe consiste à poursuivre le développement des approches de type fonctionnelle de la densité, avec l étude de l effet de brisures additionnelles de symétries au sein de la première étape, et la mise en place de restauration de la symétrie sous les transformation de rotations dans le cadre de la seconde étape, essentielle pour obtenir des informations spectroscopiques fiables à confronter aux données expérimentales disponibles. Le second axe se focalise sur les aspects dynamiques du phénomène de clusterisation à travers l étude de la radioactivité cluster afin d élucider les liens qu elle partage avec le phénomène de fission. Dans un premier temps, des calculs de l analogue des barrières de fission pour la radioactivité cluster permettront d obtenir une compréhension plus profonde des mécanismes d émission par interaction forte du noyau. Puis, l élaboration d une approche de type champ moyen relativiste dépendant du temps ouvrira l accès à une description microscopique unifiée de la radioactivité cluster et de la fission. Directeur de thèse et école doctorale : KHAN Elias ED 517 PND Contact : Jean-Paul Ebran CEA/DAM Ile de France /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

81 Physique nucléaire Couplage au continuum et noyaux exotiques De nouveaux horizons sont à portée de main en physique nucléaire quand on s'éloigne de la ligne de stabilité nucléaire. Les avancées récentes dans les techniques expérimentales d'observation révèlent un monde caché d'une richesse extraordinaire. Le terme "exotique" est communément employé pour souligner la nature inhabituelle de systèmes nucléaires découverts récemment, pour lesquels la structure et la stabilité sont gouvernées par une interaction complexe entre la physique des systèmes à N-corps quantiques et les réactions nucléaires. Le champ moyen ainsi que la structure en couches est un point de départ pour l'analyse théorique des systèmes à N-corps quantiques. La structure en couches devient ellemême exotique à la limite du continu. Les excursions de particules individuelles, de paires de particules ou de clusters dans le continu deviennent essentielles, formant des états de halos et induisant des mélanges complexes entre les états à N- corps internes et les configurations du continu. Avec la découverte de systèmes exotiques, la construction de nouvelles installations dédiées à la physique des noyaux exotiques (Spiral2, Frib...), le besoin incontournable d'une compréhension théorique ainsi que les capacités sans cesse croissantes de la puissance des supercalculateurs, ce sujet bénéficie d'une attention particulière dans la communauté de physique nucléaire au niveau international. Objectif de la thèse : Dans le cadre de ce sujet de thèse, nous proposons de mettre en œuvre le couplage au continuum dans le cadre d'une approche innovante du type mélange de configurations multiparticules-multitrous, développées depuis quelques années au CEA/DAM/DIF. Ce couplage sera abordé via le formalisme de projection de Feshbach. L'objectif principal associé à de tels développements est l'unification naturelle de la structure et des réactions. L'approche proposée donnera un spectre discret en accord complet avec le mélange de configurations multiparticule-multitrous standard, un comportement en énergie correct des largeurs des résonances et des sections efficaces près des seuils et l'unitarité exacte de la matrice de diffusion. Elle permettra également une étude auto-cohérente des chaines isotopiques. Les premières applications envisagées concerneront la chaine isotopique de l'oxygène pour laquelle la dripline neutron et de nombreuses données expérimentales sont désormais connues. Déroulement de la thèse : La première année de thèse sera consacrée à la familiarisation au problème à N-corps nucléaire du point de vue de la structure et des réactions nucléaires puis aux développements théoriques nécessaires pour étendre l'approche de mélange de configurations multiparticules-multitrous à la prise en compte des corrélations du continuum. La mise en œuvre numérique d'un tel formalisme sera effectuée lors de la deuxième année. La troisième année correspondra à l'exploitation des résultats ainsi que leur présentation dans des conférences et la rédaction d'article(s).le sujet proposé sera mené en collaboration avec des physiciens spécialistes des réactions du laboratoire (G. Blanchon et M. Dupuis) et des collaborateurs extérieurs spécialistes du couplage au continuum (A. Volya de la Florida State University et V. Zelevinsky de la Michigan State University). Lors de sa thèse, le doctorant acquerra une expertise dans le domaine du problème à N-corps nucléaire du point de vue de la structure et des réactions nucléaires. En outre, le doctorant bénéficiera de moyens de calculs exceptionnels disponibles au CEA/DAM/DIF. Directeur de thèse et école doctorale : Marek Ploszajczak Contact : Nathalie Pillet CEA/DAM Ile de France Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 81/104

82 Physique nucléaire Mesure des rendements isotopiques de fission de l'uranium 236 sur SOFIA au GSI Etude de la fission nucléaire Objectif de la thèse : La fission nucléaire est maintenant découverte depuis 75 ans. Certains aspects restent cependant mal connus. Les rendements de production des fragments de fission font partie de ces observables difficiles à mesurer. Les fragments jouent un rôle déterminant dans le fonctionnement des réacteurs nucléaires actuels et futurs. Savoir prédire les rendements de fission reste en grande partie aujourd'hui inaccessible par les modélisations actuelles. De ce fait, les rendements de production restent encore aujourd'hui, relativement mal connus de par la difficulté à la mesurer avec précision. La collaboration internationale SOFIA (Studies On FIssion with Aladin) a développé un dispositif expérimental innovant entre 2008 et 2012 et réalisé une première expérience (SOFIA 1) à l'été Cette expérience a fourni des données sans équivalent de par leur précision et leur originalité. Une seconde expérience (SOFIA 2) est prévue à l'automne Cette expérience sera réalisée comme SOFIA 1, au GSI, en Allemagne. Une grande partie de l'expérience sera dédiée à la mesure de haute précision des rendements de fission de l'uranium 236. Déroulement de la thèse : La thèse proposée consiste à contribuer à la mise en place de l'expérience et à l'analyse des rendements de fission de l'uranium 236, données d'importance pour la simulation des systèmes nucléaires présents et futurs. Le doctorant prendra en charge l'analyse des données recueillies afférentes à la fission de l'uranium 236 en Ces données seront finalement comparées aux résultats des expériences antérieures et aux modélisations théoriques ou phénoménologiques disponibles. Le candidat devra avoir des connaissances minimales en physique nucléaire et/ou d'instrumentation nucléaire. Il devra aussi être en mesure de communiquer en anglais. La maîtrise de l'outil informatique (programmation C voire C++) sera nécessaire à la réalisation de la thèse. Elle devra être acquise pendant la thèse si le candidat n'est pas familier avec la programmation. Directeur de thèse et école doctorale : Laurent Tassan Got Contact : Julien Taieb CEA/DAM Ile de France /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

83 Physique nucléaire Moments magnétiques des états isomères produits par fission 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 Notre équipe est plus particulièrement impliquée dans la mesure de moments nucléaires. Dans certains isotopes des changements de structure nucléaire se manifestent par l apparition d états excités de longue durée de vie, appelés isomères. La mesure des moments magnétiques des états nucléaires apporte des informations pertinentes sur la fonction d onde du niveau étudié. Dans le but d aller étudier des isotopes riches en neutrons nous voulons réaliser ces mesures sur les états isomères produits par fission. Objectif de la thèse : 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. 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 comprise par l'étude des propriétés des états isomères, ceux-ci possèdent généralement une structure plus simple et sont donc 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 et la comparaison des résultats obtenus avec des calculs seront demandées. Déroulement de la thèse : Au cours de la thèse l étudiant participera à plusieurs expériences dédiées aux mesures de moments nucléaires auprès d accélérateurs (Orsay, GANIL, 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 CEA/DAM, 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 : V. Méot Contact : Jean-Michel Daugas CEA/DAM Ile de France [email protected] Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 83/104

84 84/104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

85 Le RIPAULT ILE DE FRANCE VALDUC CESTA GRAMAT Chimie et science des matériaux Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 85/104

86 Chimie et science des matériaux Développement d un procédé de synthèse et de mise en forme par moulage d aérogels inorganiques Les cibles laser pour le laser de puissance LMJ sont notamment élaborées par voie sol-gel et séchage en conditions supercritiques. Les procédés de mise en œuvre passent actuellement par la préparation d un massif d aérogel qui est ensuite mis en forme par usinage de précision. Il est aujourd hui intéressant d envisager un procédé qui simplifie l étape de mise en œuvre par usinage en lui substituant une voie de moulage. Cette voie limiterait les étapes d élaboration et donnerait accès à de nouvelles architectures de cibles. Objectif de la thèse : L objectif de la thèse est donc d explorer une route d élaboration de cibles obtenues par voie de moulage en maitrisant les conditions de préparation inhérentes à ce procédé. Ceci oblige à surmonter en particulier les difficultés apportées par l étape de séchage du gel et son retrait dans une préforme. Déroulement de la thèse : Les travaux consisteront à identifier les différents mécanismes responsables des retraits lors du séchage supercritique des gels afin d en limiter les effets pour des applications de moulage dans des cibles. L approche s effectuera dans un premier temps sur un matériau «école», les aérogels de silice, afin de valider la démarche et les moyens puis dans un second temps sur le matériau recherché, les aérogels à base de tantale sous forme oxyde ou hybride. Elle permettra d évaluer la contribution des différents facteurs influençant les retraits (affinité chimique avec les solvants de séchage, texture, propriétés mécaniques du réseau) et à identifier si possible des conditions opératoires nominales pour le but recherché. Ce travail sera mené en collaboration avec le CEA/Valduc qui a développé des moyens de mise en œuvre pour la réalisation des cibles laser et le laboratoire L2C de l Université Montpellier 2 qui dispose d une compétence aérogels et de moyens adaptés à leurs caractérisations (flexion du gel, nano indentation, porosimètre à Hg, SAXS et USAXS, RMN, IR...). Directeurs de thèse et école doctorale : Sylvie CALAS-ETIENNE / Université de Montpellier 2 Philippe BELLEVILLE / Université de Tours Contact : Yannick Carré CEA/Le Ripault [email protected] /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

87 Chimie et science des matériaux Développement et mise en œuvre par extrusion de membranes nanocomposites hybrides pour électrolyseur 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 commerciales de 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. Déroulement de la thèse : 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. Directeurs de thèse et école doctorale : P. BUVAT (CEA), J.F. TASSIN (Université du Mans) ; Université de TOURS Contacts : Pierrick Buvat, Janick Bigarre CEA/Le Ripault [email protected] ; [email protected] Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 87/104

88 Chimie et science des matériaux Modélisation de la microstructure et des propriétés d un revêtement plasma en relation avec les paramètres du procédé La projection thermique permet de créer des revêtements de céramique sur des pièces fonctionnelles afin d améliorer leur fonction d usage. En introduisant des particules de céramique dans un flux gazeux à haute vitesse et haute température, ces particules sont accélérées et fondues et viennent s écraser sous forme de lamelles plus ou moins régulières, voire déchiquetées, qui vont constituer un dépôt plus ou moins épais par empilements successifs. Leur position spatiale, leur vitesse, leur diamètre et leur température constituent les données d entrée conduisant à la structuration du dépôt côté particules. La microstructure issue de cet empilement présente une morphologie complexe avec des particules non fondues, de la porosité, de l oxydation potentielle des particules ou au contraire des particules réduites suivant les conditions de tir, des fissures inter lamellaires, de la microfissuration intra lamellaire Cette structure particulière confère au dépôt des propriétés macroscopiques particulières (par exemple, propriétés thermiques, mécaniques, optiques ) différentes de celles d un matériau brut fritté par exemple. Ainsi, le revêtement projeté peut être vu comme un matériau hétérogène. Objectif de la thèse : L objectif de la thèse est de modéliser globalement la construction d un dépôt à partir des écoulements des différents éléments (fluide plasma, particules), des transferts thermiques entre phases (particules, substrat) et du comportement thermomécanique du matériau hétérogène en cours de solidification et de construction. A partir des données d entrée des particules décrites ci-dessus et également de l état thermomécanique d un substrat type, l objectif de la thèse est de quantifier dans un premier temps les différentes caractéristiques de la microstructure (type, forme et taux de porosité, type, forme et taux de fissures intra et interlamellaires, infondues ) et de les relier aux paramètres des particules, puis dans un deuxième temps de modéliser cette microstructure à partir de ces relations. Ceci implique l utilisation d un code de thermomécanique et un couplage fort entre les aspects thermiques et mécaniques. A partir des microstructures reconstituées, des propriétés intrinsèques du matériau projeté et du fluide contenu dans les porosités, cet ensemble pouvant être vu comme un matériau global hétérogène, on souhaite remonter à une propriété macroscopique, type mécanique par exemple, du matériau projeté. Une approche par la mécanique des milieux discrets peut constituer une aide à cette modélisation. Déroulement de la thèse : Plusieurs phases ont été identifiées : Après une étude bibliographique sur les mécanismes d endommagement des lamelles en projection, le doctorant se consacrera à l obtention de différentes microstructures à partir des paramètres de projection (environ une demi-douzaine compte tenu des acquis au sein du laboratoire). Ces microstructures seront par la suite analysées par microtomographie, analyse d images de clichés optiques pour identifier et quantifier les différents éléments constitutifs. Ces données serviront d entrée dans un code de thermomécanique afin de reconstituer morphologiquement la structuration du revêtement et de déterminer les propriétés mécaniques du matériau hétérogènes. Enfin, le modèle développé sera utilisé afin de faire varier cette microstructure et voir ainsi l influence sur les propriétés macroscopiques. Directeur de thèse et école doctorale : à définir Contacts : Erick Meillot, F. Guillet CEA/Le Ripault [email protected], [email protected] /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

89 Chimie et science des matériaux Conception et réalisation, par fabrication additive, de matériaux cellulaires architecturés Les matériaux cellulaires sont des matériaux poreux qui comprennent, au sens large, les mousses, les architectures fibreuses et les structures type nid d abeilles. Il est possible, en théorie, d accéder à des matériaux de propriétés (morphologiques, mécaniques, thermiques, électriques, chimiques, densité ) très variées, au travers du choix de leur composition chimique (C, SiC, oxydes ), du contrôle de leur microstructure et aussi de leur architecture (géométrie et dimensions des cellules, épaisseurs des parois, connexion des porosités et arrangements des fibres lorsqu elles sont présentes). Cependant, jusqu à récemment, le choix d architecture des mousses disponibles était à la fois limité et soumis à une dispersion des caractéristiques de leurs cellules [1], en raison des contraintes des procédés de synthèse employés (en général présence de composés moussants ou générateurs de porosité). L emploi, dans ce domaine, des techniques, dites de fabrication additive, est en train d ouvrir le champ des possibilités, en permettant d optimiser les propriétés recherchées, pour quelques matériaux et quelques gammes de caractéristiques, avec des structures périodiques («lattices structures») conçues sur mesures. Le CEA/Le Ripault dispose d une expérience d une vingtaine d années dans le domaine des matériaux cellulaires céramiques (mousses syntactiques, mousses alvéolaires, nida, architectures fibreuses) pour des applications d isolation thermique, de joints d interfaces et de gaines de combustibles de réacteurs de 4ème génération et, depuis plus récemment, pour récepteurs solaires (centrales solaires thermodynamique). Nous proposons de poursuivre les études engagées pour cette dernière application en réalisant de nouveaux matériaux plus performants par fabrication additive. Deux techniques différentes font actuellement l objet d études de faisabilité dans notre département. Objectif de la thèse : L objectif de la thèse est d appliquer la démarche «Matériaux numériques» développée au CEA/Le Ripault à la conception de structures cellulaires optimisées servant de récepteurs solaires (centrales solaires thermodynamiques), à la mise au point d un procédé, comprenant une étape de fabrication additive, pour les réaliser et à la caractérisation des matériaux. Les principaux enjeux à relever sont la tenue à l oxydation sous air à plus de 1000 C, la tenue aux cycles thermiques et l intégration dans un récepteur. La partie conception sera basée sur : la conception de structures cellulaires périodique, la simulation des comportements thermique, thermo-mécanique voire fluidique des différentes structures en fonction de différents paramètres : données de fonctionnement du récepteur (flux thermique, vitesse du gaz, pression, caractéristiques du caloporteur) et caractéristiques de la structures cellulaire (géométrie, taille des ligaments, nature des constituants ). La partie fabrication comportera l étude des paramètres des différentes étapes du procédé (caractéristiques des poudres employées, composé de consolidation, traitement thermique de stabilisation, post-traitement éventuel de renforcement ) ainsi que la caractérisation des matériaux obtenus (tomographie, caractérisations thermique et mécanique). Le comportement des pièces sera ensuite testé dans un moyen d essai (four de laboratoire, centrale solaire) et comparé aux simulations. Des boucles d itération conception-fabrication-caractérisation-essai seront menées pour optimiser les matériaux et pièces. Déroulement de la thèse : bibliographie et formation aux codes et techniques mises en œuvre, réalisation des études décrites dans le paragraphe précédent, participation aux groupes de travail sur le sujet. Directeur de thèse et école doctorale : J. M HEINZ (à confirmer), Denis ROCHAIS (CEA Le Ripault) Contacts : D. Rochais, P. David CEA/Le Ripault [email protected] ; [email protected] [1] Cellular solids, L.J Gibson, M. F. Ashby, Cambridge University Press, 2001 Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 89/104

90 Chimie et science des matériaux Développement de nouveaux revêtements antireflets, à base de solutions sol-gel aqueuses, pour le LMJ 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. Objectif de la thèse : 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. Déroulement de la thèse : 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 CEA/Le Ripault [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) 90/104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

91 Chimie et science des matériaux Détection de stupéfiants dans l haleine à l aide de capteurs chimiques D après l Organisation Mondiale de la Santé, le trafic de stupéfiants, est, en dollars, le troisième commerce en importance dans le monde, derrière ceux du pétrole et de l alimentation mais juste avant ceux des armes et des médicaments. Outre d être à l origine de réels problèmes sanitaires (décès par surdose, transmission d agents infectieux du type VIH ou VHC) et sociaux, le trafic de stupéfiants génère une criminalité spécifique et la création de réseaux de type mafieux, avec leur contingent de guerres des gangs, de règlements de compte, etc. La lutte contre le trafic de stupéfiants constitue donc un enjeu majeur. Toutefois, elle implique que les services en charge de cette lutte et, en particulier, les services douaniers et les forces de l ordre puissent disposer de moyens leur permettant de détecter sur sites la présence de stupéfiants, notamment sur les consommateurs. A l'heure actuelle, la méthode la plus couramment utilisée pour détecter sur sites des vapeurs de stupéfiants est l'emploi de chiens renifleurs, dressés et entraînés à cet effet et les tests salivaires sur les consommateurs. Ces techniques présentent de nombreux inconvénients (fiabilité, sensibilité à la température d utilisation etc ), on cherche donc de plus en plus à les remplacer par des appareils portables. Objectif de la thèse : L objectif de la thèse concernera la détection de cannabis et de cocaïne dans l haleine. Pour ce faire, le doctorant sera amené à développer des matériaux spécifiques à ces cibles qu il mettra en œuvre par dépôt couches minces sur des capteurs chimiques en vue de tester les performances de détection. La conception et la synthèse des matériaux sensibles les plus spécifiques possibles aux cibles d intérêt seront au centre du projet de la thèse. Le doctorant devra également approfondir au maximum les mécanismes de détection mis en jeu dans les interactions entre le capteur et les cibles recherchées. Déroulement de la thèse : La mise au point des matériaux sera réalisée au CiNAM Marseille, la mise en œuvre et le test des capteurs seront menés au CEA/Le Ripault et l IRCGN interviendra en tant qu expert du domaine, utilisateur final et laboratoire de test sur produits de saisie. Le déroulement proposé pour la thèse est le suivant : Bibliographie sur la détection de stupéfiant et sélection de matériaux sensibles spécifiques, Synthèse de ces matériaux, Elaboration des capteurs chimiques et tests des performances avec les produits actifs purs (sensibilité, sélectivité, réversibilité, stabilité dans le temps) au CEA/Le Ripault, En fonction des performances obtenues, tests de la fiabilité de détection sur des produits de saisie à l IRCGN. Le doctorant cherchera à bien maîtriser les mécanismes de détection mis en œuvre et prendra en compte les contraintes opérationnelles d utilisation du détecteur final sur le terrain. Directeur de thèse et école doctorale : Pr SIRI, Marseille, encadrant CEA Christelle Barthet Contacts : Pr SIRI CINAM Christelle BARTHET CEA/Le Ripault [email protected] Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 91/104

92 Chimie et science des matériaux Modélisation moléculaire appliquée à la recherche de nouveaux électrolytes liquides pour batteries Le développement de batteries utilisant de nouveaux électrolytes liquides organiques serait facilité par le fait de pouvoir évaluer a priori les propriétés de ces composés et écarter d emblée ceux présentant des caractéristiques rédhibitoires. Il existe des modèles satisfaisants pour évaluer le comportement de ces fluides en fonction des propriétés de leurs constituants à l état pur, permettant ainsi de restreinte les mesures à effectuer sur les diverses formulations d électrolytes envisagées. Toutefois, l application de ces méthodes est restreinte faute de disposer des données d entrée nécessaires sur les produits purs. D autre part, ces travaux seraient également facilités par une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires mis en jeu dans le fonctionnement des batteries, notamment au niveau de la solvatation des ions lithium, de leur transport au sein de l électrolyte et des réactions chimiques, notamment au niveau des interfaces électrode-électrolyte. Objectif de la thèse : Dans ce contexte, le travail proposé comporte plusieurs volets indépendants, pouvant être menés en parallèle. Le premier consiste à améliorer les modèles disponibles pour évaluer les caractéristiques des produits purs et notamment de nouvelles molécules spécifiquement développées pour les électrolytes nécessaires au calcul des propriétés des formulations. Les propriétés à modéliser sont notamment les suivantes : point d éclair, températures limites d inflammabilité, température de décomposition, constante diélectrique, viscosité. Le second volet consiste effectuer des calculs de chimie quantique ou des simulations de dynamique moléculaire classique afin de répondre aux questions soulevées par les expérimentateurs. Le candidat pourra par exemple calculer des spectres RMN pour supporter l analyse des mesures, ou effectuer des simulations de dynamique moléculaire classique afin d obtenir des informations sur les mécanismes de solvatation ou de transport. Dans le cadre d un troisième volet facultatif, le doctorant pourra également contribuer au développement d un potentiel réactif afin de pouvoir simuler directement in situ des processus réactionnels. Déroulement de la thèse : Les deux volets mentionnés ci-dessus seront menés en parallèle. Sur la base de l expérience accumulée au laboratoire et des outils développés, le volet «développement de modèles prédictifs» permettra de garantir l obtention de résultats intéressants et la publication de plusieurs articles. Le deuxième volet est fortement dépendant des besoins induits par l avancée des travaux expérimentaux. En fonction de ceux-ci, son importance sera plus ou moins grande. Enfin, le troisième volet pourra permettre au candidat d entreprendre des développements novateurs, susceptibles de déboucher sur des outils de simulation radicalement nouveaux. Directeur de thèse et école doctorale : Didier Mathieu, CEA/Le Ripault Ecole doctorale de l université Orléans-Tours. Contact : CEA/Le Ripault [email protected] 92/104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

93 Chimie et science des matériaux Séparation des isotopes de l hydrogène sur matériaux adsorbants Le CEA de Valduc développe actuellement un procédé de séparation des isotopes de l hydrogène par adsorption sur zéolithes à basse température, dont l objectif majeur est la décontamination des effluents générés par le cycle de traitement du tritium. La séparation des isotopes de l hydrogène peut être réalisée par un procédé de chromatographie en phase gazeuse sur des matériaux de type alumino-silicate (zéolithe). En effet, à des températures de l ordre de 77 K, l adsorption des isotopes de l hydrogène est d autant plus importante que l isotope est lourd. Les processus d adsorption séparative dans les matériaux nanoporeux résultent généralement de la conjugaison de plusieurs mécanismes liés principalement à des équilibres thermodynamiques, des paramètres cinétiques ainsi qu à des effets stériques influencés par l architecture des adsorbants et/ou les propriétés physico-chimiques des espèces à séparer (effet de tamisage moléculaire et effet quantique). L objectif de ce projet est donc de définir les paramètres fondamentaux qui gouvernent la séparation des isotopes de l hydrogène par adsorption sélective sur zéolithes. Les premiers résultats de modélisation par dynamique moléculaire de la séparation isotopique d un mélange binaire H2-D2 sur zéolithe de type faujasite, obtenus dans le cadre d une collaboration entre les équipes de Valduc et le Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne, ont notamment démontré le caractère primordial des effets quantiques dans ce processus de séparation. Objectif de la thèse : L objectif de ce projet est donc de consolider expérimentalement les résultats obtenus par dynamique moléculaire afin de déterminer les facteurs fondamentaux qui permettent d observer la séparation H2-D2 sur zéolithe dans une plage de température comprise entre 40 K et 150 K. L interprétation des données expérimentales et l exploitation de la modélisation par dynamique moléculaire doivent permettre d évaluer la contribution des facteurs thermodynamiques, cinétiques et/ou stériques dans le but de dégager des orientations pour la conceptualisation d un matériau destiné spécifiquement à la séparation des isotopes de l hydrogène. Déroulement de la thèse : Cette étude à dominante expérimentale et orientée vers la science des matériaux et les interactions solide-gaz nécessite la mise en œuvre de techniques de caractérisation physico-chimique des solides, de mesures d isotherme d adsorption de gaz pur et de mélange gazeux ainsi que des techniques de synthèse de nouveaux matériaux. Dans un premier temps, les matériaux adsorbants sélectionnés seront caractérisés par l intermédiaire de techniques classiques (DRX, FTIR, MEB, MET ). Leurs capacités d adsorption pour les isotopes de l hydrogène seront évaluées via la détermination des isothermes d adsorption sur un appareillage de manométrie. Le couplage de la manométrie avec la chromatographie en phase gazeuse GC-MS permettra également de réaliser des mesures de co-adsorption et d ainsi évaluer les sélectivités des solides pour l adsorption préférentielle d un des deux isotopes. La promotion des effets quantiques par modification de l architecture des zéolithes sera également étudiée. Des réactions d échange partiel ou total des cations compensateurs de charge au sein des différents édifices zéolithiques seront notamment réalisées afin d influer sur les contraintes stériques qui apparaissent prépondérantes dans le processus de séparation des isotopes de l hydrogène. Au terme de cette étude, la compréhension des phénomènes d interaction gaz-solide observés doit permettre aux équipes de DTRI/SHDT de conforter les options retenues pour le schéma et l exploitation de ce futur procédé de décontamination. Aussi, la possibilité d évaluer en actif les performances des meilleurs matériaux sélectionnés sur une unité pilote sera envisagée lors de la dernière phase de l étude. Directeur de thèse et école doctorale : Pr Jean-Pierre Bellat Institut Carnot de Bourgogne Contact : Mathieu Macaud CEA/Valduc [email protected] Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 93/104

94 Chimie et science des matériaux Modélisation du vieillissement des tritiures métalliques : application au tritiure de palladium Le palladium et les alliages à base de palladium sont couramment utilisés pour le stockage des isotopes de l'hydrogène. Le stockage sous forme d'hydrure solide présente l'avantage d'être compact et sûr, ce dernier point étant particulièrement intéressant pour le stockage du tritium, isotope radioactif de l'hydrogène. Cependant, la décroissance radioactive du tritium avec une période de l ordre de 12,32 ans s'accompagne de l'apparition d'hélium dans le solide selon la réaction : T 3 He + + β + υ β est un électron, et υ un anti-neutrino électronique. Compte tenu de la faible énergie dégagée lors de cette où désintégration (au maximum 18,58 kev), aucun défaut d irradiation n apparaît au sein de la matrice métallique. L hélium-3 généré, très peu soluble, se réorganise rapidement sous forme d'amas puis de bulles, piégées dans la matrice métallique. La rétention de l 3He est une propriété intéressante des tritiures, car elle permet de récupérer un gaz tritium quasiment exempt d 3He. Toutefois, cette accumulation d 3He dans le solide va provoquer un vieillissement du matériau caractérisé notamment par l évolution de ses propriétés thermodynamiques, structurales et mécaniques. Ainsi, lorsque la concentration en hélium dans le matériau atteint une valeur critique, la rétention en phase solide n'est plus assurée et il se produit alors un phénomène de désorption massive durant lequel l'hélium est relargué en phase gazeuse à une vitesse proche de sa vitesse de formation. Durant cette dernière phase, la pression d hélium dans le conteneur contenant le tritiure peut augmenter rapidement, conduisant à un risque de rupture de celui-ci. Il est donc fondamental de comprendre et de pouvoir prédire le comportement de l hélium-3 au cours du temps dans le matériau afin d une part, de prévenir une montée en pression trop importante dans le conteneur et, d autre part, de déterminer un critère permettant de sélectionner un matériau pour son aptitude à pouvoir retenir l'hélium sur de grandes périodes, sans avoir besoin du recul expérimental correspondant. Dans cette optique, de nombreux travaux de caractérisation et de modélisation ont été menés au CEA/DAM depuis une dizaine d années. Deux modèles ont notamment été développés, en collaboration avec l Ecole des Mines de Saint-Étienne, pour simuler le vieillissement des tritiures de palladium : Le premier modèle concerne la genèse des bulles d hélium et fait appel à un automate cellulaire ; il permet d accéder à une densité et une distribution de bulles dans le matériau, le phénomène de nucléation se déroulant sur des temps de l ordre de la semaine. Le second modèle, basé sur la mécanique des milieux continus, simule la croissance d une bulle ; il permet, entre autres, d accéder à la pression et à la taille des bulles et au gonflement macroscopique pour des temps de vieillissement de l ordre de plusieurs années. Objectif de la thèse : La thèse proposée s inscrit dans la continuité de ces travaux et a pour objectifs : L amélioration des modèles avec notamment la prise en compte des phénomènes conduisant au relâchement massif d 3He. l obtention de nouvelles grandeurs caractéristiques du tritiure de palladium à différents stades de vieillissement, données nécessaires en entrée des modèles (loi de comportement mécanique, coefficient de diffusion de l 3He...) et à leur recalage (densité de bulles, pression dans les bulles, gonflement macroscopique ). 94/104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

95 Déroulement de la thèse : Le programme d études comportera donc une partie expérimentale et une partie théorique et pourra être décomposé comme suit. 1. Etude bibliographique (3 mois) o Mise à jour de la bibliographie relative aux propriétés mécaniques des hydrures, deutérures et tritiures de Pd et au vieillissement du tritiure de Pd. o Approche des différents mécanismes de relâchement accéléré de l 3He possibles. o Compilation des données et analyse critique. 2. Etude de l évolution de la loi de comportement du tritiure de palladium sous ses différentes phases et à différents stades de vieillissement (8 mois) o Préparation des échantillons de tritiure de Pd. o Réalisation des mesures et interprétations. 3. Caractérisation du vieillissement du tritiure de Pd (10 mois) o Préparation des échantillons. o Mise en œuvre des techniques adaptées à l obtention des données d entrée et de recalage des modèles : Microscopie Electronique à Transmission (MET) pour la taille et la densité des bulles d 3He, Spectroscopie de Perte d Energie d Electron (EELS) et/ou Résonnance Magnétique Nucléaire (RMN) pour la pression dans les bulles, pycnométrie hélium pour le gonflement macroscopique du compact... La plupart de ces techniques de caractérisations évoquées ci-dessus sont déjà utilisées par le CEA/DAM en collaboration avec d autres laboratoires et ne nécessiteront donc pas de mise au point lourde (MET en collaboration avec le l Equipe de Chimie et de Métallurgie des Terres Rares de Thiais (ECMTR) et RMN en collaboration avec le Laboratoire de Structure et de Dynamique par Résonance Magnétique (LSDRM) du CEA de Saclay). o Détermination du coefficient de diffusion de l 3He dans le tritiure de Pd : ce dernier pourra être déterminé par calculs ab initio en collaboration avec des laboratoires extérieurs. 4. Modélisation (10 mois) o Implémentation des lois de comportements déterminées lors des derniers travaux de recherche et amélioration des modèles existants. o Comparaison calculs / expériences. o Bases de la modélisation de la dernière phase du vieillissement : approche théorique des phénomènes conduisant au relâchement massif d 3He. 5. Rédaction du mémoire et préparation de la soutenance (6 mois) Le découpage de ce programme est donné à titre indicatif et permet avant tout de faire ressortir les ordres de grandeur du temps accordé à chacun des domaines d études. En pratique, la mise en vieillissement des échantillons devra intervenir dès le début de la thèse afin d avoir accès à des temps de vieillissement relativement longs et les actions 2,3 et 4 devront être menées en parallèle. Directeur de thèse et école doctorale : Michel Latroche (ICMPE Thiais) Contacts : Mathieu Segard, Arnaud Fabre CEA/Valduc Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 95/104

96 Chimie et science des matériaux Mesure directe de traces d actinides en solution par spectrométrie alpha non destructive Les activités de recyclage et de traitement des effluents contaminés par des radionucléides émetteurs alpha nécessitent la détermination de leur activité au cours des procédés associés. Il est aussi nécessaire d évaluer la rétention de matières fissiles présentes dans les capacités contenant les effluents nucléaires. Ces analyses impliquent actuellement de nombreux prélèvements, des transports d échantillons et beaucoup d opérations manuelles pour les caractériser. Par ailleurs, les analyses de très faibles teneurs (quelques Bq/m3 d effluents) induisent beaucoup de préparations et des délais de rendus de résultats pouvant atteindre 4 à 5 jours. Afin de réduire ces délais, d augmenter la sensibilité des moyens de mesures, de réduire l exposition des opérateurs effectuant les analyses, d augmenter la productivité et d évaluer in situ et/ou en ligne les matières fissiles en rétention, le développement d un nouveau système de mesure in situ est indispensable. La spectrométrie alpha par semi-conducteur est candidate pour répondre à tous ces enjeux. En effet, moyennant une adaptation judicieuse, il est possible d immerger directement le capteur dans la solution à caractériser et de concentrer les actinides émetteurs alpha sur la surface du détecteur. Cette adaptation permet de plus au capteur d être immergeable dans quasiment tout type de solutions rencontrées dans l industrie nucléaire. Ce type de capteur peut être aussi déployé pour la mesure de boues. Toutefois, pour ce dernier point, une évaluation robuste du domaine de validité et des conditions opératoires requises reste à faire. Objectif de la thèse : L objectif de ce doctorat est le développement de systèmes et de méthodes de mesures nucléaires non destructives. Il a pour thématiques de recherche : le contrôle non destructif, l analyse numérique (statistiques et probabilités) des interactions rayonnements matière, la mesure physique nucléaire, la métrologie, la radiochimie et l instrumentation nucléaire. Ce doctorat appellera donc à mettre en œuvre des mesures expérimentales, les techniques de concentration chimique, de la modélisation de transport de particules par code de calcul Monte-Carlo 3D, de la statistique pour la détermination de méta-modèle de comportement et les incertitudes associées aux résultats de mesure. La technique de mesure nucléaire déployée est la spectrométrie alpha par semi-conducteur. Cette thèse se déroulera en partenariat avec le laboratoire Chrono Environnement de l Université de Franche-Comté. Les enjeux scientifiques associés à ce doctorat sont la métamodélisation des transports de particules alpha permettant d obtenir les résultats de mesure, leur incertitude associée de façon robuste sans retour d expérience spécifique de l opérateur de mesure, le passage d une méthode destructive à une méthode non destructive, la concentration d actinides sur le capteur sans manipulation chimique lourde et la sélectivité par spectrométrie alpha in situ. Les enjeux industriels de cette thèse sont la quantification des matières fissiles dans les capacités d effluents, la surveillance de l environnement par méthode non destructive. Cette méthode a pour finalité d être facilement projetable sur n importe quel terrain ou déployée en ligne. Déroulement de la thèse : Le programme d études pourra être décomposé comme suit : 1) Etude bibliographique. 2) Développement de la méthodologie de quantification in situ par spectrométrie alpha et comptage total des émissions alpha. 3) Combinaison et intégration des outils existants : a. Définition et conception du capteur candidat, b. Couplage étalonnage numérique avec méthodologie de quantification indépendante d'a priori, c. Etude de faisabilité, définition et optimisation d un procédé de concentration des émetteur alpha sur le capteur, d. Sélection des «cas d école» qui serviront aux tests de l'ensemble du processus de mesure. 4) Validation de la méthodologie de mesure : e. Test de la robustesse et validation du domaine de fonctionnement de la méthode à partir de spectres simulés et bruités, f. Application à des spectres réels obtenus sur le site de Valduc, g. Compilation des résultats et définition du domaine de validité de la méthodologie. 5) Définition des moyens de mesures pour les mesures de terrain. 6) Rédaction du mémoire et préparation à la soutenance. Directeur de thèse et école doctorale : Jean Emmanuel GROETZ Ecole Doctorale Louis Pasteur Contact : Sébastien Colas CEA/Valduc /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

97 Chimie et science des matériaux Propriétés des lanthanides et des actinides en sels fondus à base CaF2 : application au traitement de résidus Le Centre de Valduc est le pôle de compétence pour les matériaux nucléaires de la Direction des applications militaires du CEA. Ses principales missions sont : les recherches en amont et développement technologique sur les matériaux nucléaires, la réalisation et le maintien en conditions opérationnelles des composants nucléaires des armes de la force de dissuasion, la gestion des matières nucléaires (MN) liées à ces activités. De ce fait, certains sous-produits sont entreposés en attente du développement de procédés permettant de recycler ou de stabiliser la MN. Le sujet proposé s intéresse particulièrement au traitement de sous-produits générés par un procédé de réduction d oxydes d actinides en métal. Objectif de la thèse : La thèse proposée a pour but d étudier le traitement de sels usés à base de fluorures contenant des actinides en faible quantité (CaF2-CaO-An*) par un procédé en milieu de sels fondus à hautes températures ( C). Le procédé envisagé, dit de fusion réductrice, consiste à ajouter un réducteur (R) dans le bain de sels fondus afin de réduire les espèces oxydées d actinides (An* : fluorures AnFx, oxydes AnOx, ou composés mixtes types oxyfluorures AnxOyFz, etc ) en An métallique. Les enjeux scientifiques associés à ce type de procédé, qui seront étudiés au cours de la thèse à l aide d éléments (M : cérium, argent, plomb) simulant les actinides, sont : les diagrammes de phase permettant de définir un domaine de composition assurant la fusion du mélange CaF2-CaO, à une température inférieure à 1000 C. A ce stade les milieux chloro-fluorés seront considérés, le comportement des ions oxyde (O2-) dans ces milieux : solubilité, solvatation, les propriétés thermodynamiques des éléments à l aide, par exemple, des diagrammes potentiel po2-, la détermination et le comportement du réducteur à ajouter lors du traitement par fusion réductrice. La thèse doit conduire à la détermination des paramètres opératoires optimaux pour réaliser des tests réels sur les actinides. Elle couvre des études scientifiques de base et des études technologiques nécessaires au développement du procédé. Le candidat recherché possédera des connaissances en chimie, thermodynamique, électrochimie et métallurgie. Il devra également avoir un goût prononcé pour l expérimentation. Déroulement de la thèse : Dans un premier temps les diagrammes de phase et les propriétés thermodynamiques des différents composés susceptibles d être présents dans le milieu seront étudiés par modélisation à l aide d outils disponibles commercialement : FactSage, Calphad. Dans un second temps, des données expérimentales, obtenues par exemple par électrochimie analytique, permettront d affiner ces diagrammes, d appréhender les propriétés thermodynamiques des ions oxydes et des éléments d intérêts et de valider les réactions. Enfin, le processus de récupération des produits de réaction sera abordé. En particulier l influence de la composition du solvant sur la coalescence du métal obtenu sera étudiée. La thèse se déroulera sur le site de l Université Paul Sabatier de Toulouse et sur le centre du CEA/Valduc. Directeur de thèse et école doctorale : Pierre Chamelot (à confirmer) - Laboratoire de Génie Chimique Université Paul Sabatier -Toulouse III Contact : Olivier Lemoine CEA/Valduc Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 97/104

98 Chimie et science des matériaux Evaluation des constantes de stabilité dans la série des actinides (Pu, Pa, Am, Cm, Cf) des ligands organiques simples (MIDA, CDTA, LIHOPO) Le comportement des actinides dans les procédés de séparation, de décorporation et dans l environnement (sites miniers, site de stockage des déchets, sites contaminés) dépend de l interaction de ces éléments avec des ligands présents dans les différents systèmes. En particulier, des interactions fortes avec des ligands organiques polyfonctionnels peuvent piéger l élément ou au contraire induire sa migration dans l environnement. Actuellement, il se porte un intérêt particulier aux acides polyaminocarboxyliques car ils possèdent des propriétés de complexation ou de chélation importantes vis-à-vis des actinides. Cette classe de molécules se trouve dans tous les compartiments (environnement, vivant, industrie) et il est donc important de quantifier leur interaction non pas élément par élément mais pour une groupe d éléments (ici les éléments 5 f ou série des actinides) de façon à comprendre les mécanismes mis en jeu et prédire in fine les comportements dans les conditions réelles ou biologiques. Objectif de la thèse : Les ligands d intérêt pour cette étude sont des acides polyaminocarboxyliques (acides méthyliminodiacétique (MIDA), cyclohexylènedinitrilotétraacétique (CDTA) et hydroxypyridinonates (LIHOPO). Les constantes de formation de Pu(III, IV), Pa(V), Am(III), Cm(III) et Cf(III) avec ces agents chélatants seront déterminées à l aide de plusieurs techniques permettant de travailler à l échelle des traces pour s affranchir d éventuelles réactions de polymérisation : l électrophorèse capillaire couplée à la spectrométrie de masse (EC-ICPMS), la spectrofluorimétrie laser à résolution temporelle (SLRT), et l extraction liquide-liquide avec des isotopes émetteurs gamma (233Pa, 241Am, 249Cf). L étude systématique des variations de la mobilité électrophorétique, de l intensité de fluorescence et du coefficient de distribution en fonction de la composition de la phase aqueuse (acidité, concentration de ligand, force ionique) et de la température permettra d évaluer les constantes de formation conditionnelles puis d en déduire les constantes apparentes. Les variations d enthalpie et d entropie des réactions seront ensuite estimées à partir de l évolution de ces constantes avec la température. Les expériences à l échelle des traces seront complétées par des études structurales par spectroscopie d absorption des rayons X afin de déterminer la coordination de l atome central et les distances interatomiques. Les données fondamentales ainsi collectées permettront d améliorer les modèles prédictifs de migration des actinides dans des environnements variés. Déroulement de la thèse : Synthèse bibliographique : 2 mois Maîtrise des techniques de séparation et de mesure : 10 mois Estimation de constantes de stabilité : 1 ½ an Rédaction du manuscrit : 6 mois Directeur de thèse et école doctorale : J. Aupiais (co-direction) Ecole doctorale Paris XI Contact : J. Aupiais CEA/DAM Ile de France /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

99 Le RIPAULT ILE DE FRANCE VALDUC CESTA GRAMAT Mécanique et Thermomécanique Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 99/104

100 Mécanique et Thermomécanique Comportement de matériaux carbonés sous sollicitations dynamiques intenses : analogie entre irradiations laser et impacts hypervéloces La résistance des matériaux soumis à des impacts dynamiques recouvre un vaste champ d applications dans lequel on essaye de limiter l endommagement. Dans cette problématique générale des blindages, présente dans de nombreux domaines, on peut citer quelques exemples étudiés au sein du Commissariat à l énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) : endommagement des optiques en silice (lames anti-éclats) pour les expériences de fusion par confinement inertiel sur le Laser MégaJoule, endommagement de panneaux solaires de satellites soumis à des débris spatiaux. Les phénomènes considérés ici se rejoignent par leur intensité et leur brièveté : pressions de 1 à 100 GPa environ, durées de quelques nanosecondes (ns) à quelques microsecondes (µs). Des études récentes ont été consacrées à un graphite poreux du commerce, l EDM3, obtenu par frittage et dont les propriétés mécaniques sont quasi isotropes. Ce matériau a été soumis à des impacts hypervéloces (IHV) par un projectile en acier de diamètre 500µm. Ces expériences restent cependant limitées, tant sur le plan des vitesses maximales atteignables (de l ordre de 5 km/s) que de l instrumentation. Les principales analyses (profilométrie, tomographie) du cratère ainsi généré se font post-mortem. Les chocs obtenus en focalisant sur le matériau un faisceau laser en régime nanoseconde semblent une voie privilégiée pour contourner ces difficultés : en effet, l analyse d expériences complémentaires sur différentes installations laser (LULI2000, GCLT, Héphaistos) suggère qu elles permettent d obtenir dans l EDM3 des endommagements proches de ceux obtenus avec des impacts de bille tout en permettant une instrumentation plus riche et variée. Objectif de la thèse : Les chocs laser offrent d ailleurs plusieurs autres avantages, qui justifieraient de les utiliser pour simuler les IHV : étudier les effets d impacts à des vitesses plus élevées (entre 5 et 15 km/s), tester les matériaux dans des conditions d impacts successifs au même point, étudier le comportement spécifique de matériaux composites en sollicitant séparément les méso-constituants. Le premier objectif de cette thèse est d étudier l analogie entre IHV et irradiations laser. Déroulement de la thèse : Ce travail reposera sur des moyens de simulation développés au CEA, permettant de calculer l interaction laser-matière et les phénomènes mécaniques dans la cible (propagation, atténuation et réflexions d une onde de choc, endommagement). Les relations d équivalence entre IHV et irradiations laser pourront ainsi être envisagées en analysant l amplitude et l évolution temporelle de la pression appliquée sur le matériau par les différents chargements. Les effets liés à la présence ou non d un impacteur matériel seront étudiés. La validation de ces simulations reposera sur des expériences d IHV et de chocs laser qui seront réalisées sur les installations du CEA ou de laboratoires partenaires. Le dimensionnement, le suivi et l interprétation de ces essais feront également partie de ce travail. Les résultats obtenus pourront orienter ensuite les études vers différentes applications, notamment sur un matériau composite, afin d identifier les effets liés aux hétérogénéités. Ce travail, par la fourniture de lois de pression équivalentes et d outils numériques adaptés, soutiendra également les études liées au développement d un test d adhérence dynamique par laser, qui font l objet d un FUI (avec DPTA, Airbus, Alphanov et Rescoll notamment). Directeur de thèse et école doctorale : Laurent Berthe (à confirmer, ENSAM Paris Tech) Contact : David Hébert CEA/CESTA [email protected] /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

101 Mécanique et Thermomécanique Modélisation thermomécanique d un matériau composite d architecture 3D à haute température On s intéresse ici à la réponse thermomécanique de matériaux de protection thermique soumis à des conditions de flux thermique intense sur une période brève. Certaines pièces, en matériaux composites, sont soumises à de très forts gradients thermiques. Ceux-ci peuvent entraîner des endommagements que nous souhaitons prédire par simulation numérique. Objectif de la thèse : Il s agit principalement de modéliser et de simuler à l échelle mésoscopique la réponse thermomécanique de matériaux composites d architecture 3D. Cette approche requiert une connaissance précise des caractéristiques matériaux des méso constituants du composite (matrice, fibre) et des interfaces. Pour ce faire, on mettra en place un protocole expérimental afin d acquérir les données qui seront utilisées dans nos modèles de simulation numérique. Des essais sur éprouvettes et petites structures permettront de valider les lois de comportement utilisées dans les modèles numériques proposés. Déroulement de la thèse : Cette thèse débutera par une campagne d essais sur un matériau d architecture 3D fourni par le CEA. L objectif sera de caractériser le comportement thermomécanique des méso constituants de ce matériau à haute température, ainsi que le comportement des interfaces. Ce travail de base est fondamental pour ce programme de recherche et le laboratoire qui sera retenu devra être capable de proposer des solutions adaptées au contexte des hautes températures. La seconde étape consistera à simuler numériquement les comportements mécaniques simples de traction, compression et cisaillement pour une gamme de températures large allant de 20 à 2300 C. Ces simulations seront confrontées à des essais sur éprouvettes et constitueront la première étape de notre validation. Si certains comportements des méso constituants n ont pu être obtenus dans la première phase, ils le seront par identification durant la seconde phase et cette étape permettra de compléter la base de données de ce matériau. L étape finale de validation se fera via un test représentatif des applications du CEA mettant un jeu une expérience et une simulation. Directeur de thèse et école doctorale : Professeur de l Institut de Mécanique et d Ingénierie de l Université de Bordeaux Professeur Laborde, de l Institut de Mathématiques de Toulouse, Université Paul Sabatier Contact : Bernard Toson CEA/CESTA [email protected] Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 101/104

102 Mécanique et Thermomécanique Etude de la rupture de cylindres métalliques en expansion dynamique : du développement de la striction à la fragmentation L étude de la fragmentation d enceintes 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, apparaissent 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). Les prémices du développement de l instabilité plastique de striction sont classiquement étudiées en mettant en œuvre une analyse linéaire de stabilité, qui permet de caractériser les modes propres instables de la structure, à l instar des nombreux travaux réalisés à l Université de Metz (citons par exemple l article de S.Mercier et A.Molinari consacré à des expansions de cylindres : Analysis of multiple necking in rings under rapid radial expansion, International Journal of Impact Engineering, volume 30, pages (2004)). L analyse linéaire de stabilité (A.L.S.) permet de restituer l espacement moyen des premières strictions observées dans des expériences sur métaux ductiles, sans toutefois rendre compte précisément de leur distribution statistique. Une première extension statistique de l A.L.S. a récemment été développée pour le cas d anneaux en expansion. En revanche, le développement ultérieur des instabilités, et ensuite la rupture, ne peuvent être appréhendés que par des simulations numériques, car il est fort difficile à ces stades d exhiber des solutions analytiques. Objectif de la thèse : L objectif de cette thèse est l étude de la fragmentation de cylindres métalliques minces en expansion dynamique ; elle vise à faire le lien entre le nombre des strictions observées en début d expansion (et dont l ordre de grandeur est prédit analytiquement) et le nombre de fragments récupérés in fine. Au cours de la déformation, le mode dominant évolue et sa longueur d onde diminue. Ainsi, il y a donc compétition entre des modes de grande longueur d onde apparus précocement, et des modes de plus courte longueur d onde se développant ultérieurement avec un taux de croissance plus élevé. Cette compétition entraîne alors l apparition d un motif aléatoire des instabilités dont il faudra étudier la statistique. En extrapolant une classique analyse linéaire de stabilité menée à différents instants, nous étudierons alors le développement au cours du temps de perturbations aléatoires multimodales de l écoulement, en suivant en particulier les sites en lesquels le défaut d épaisseur a atteint un certain seuil. Ces sites seront assimilés à des sites de rupture potentiels, à partir desquels nous espérons parvenir à restituer des distributions en taille et en nombre de fragments observées expérimentalement, en reprenant une analyse de l inhibition par les ondes de Mott. Déroulement de la thèse : L A.L.S. appliquée à un cylindre mince en expansion au comportement élasto-viscoplastique, qui se ramène au premier ordre à une plaque plane en traction plane, a été menée à l Université de Metz (A. Molinari et S. Mercier) et à la DIF (D. Jouve) où une formulation analytique des taux de croissance des modes instables a été obtenue pour certains domaines de longueurs d onde. La première étape du travail de thèse consistera à appliquer à cette géométrie l étude de perturbations multimodales mise en œuvre par S.El Maï dans sa thèse pour des anneaux en expansion dynamique (Etude du développement des instabilités dans un anneau en expansion dynamique (2014)). Une analyse de ces perturbations sera mise en œuvre, en s inspirant des travaux de Nayak (1971) sur l analyse statistique de la rugosité de surface, afin d identifier une description statistique des points et instants de rupture potentiels correspondant aux zones d amincissement maximum. La seconde étape consistera à appliquer une analyse de la fragmentation à cette statistique en tenant compte de la croissance des zones d inhibition, à partir des travaux de Mott et Grady. Directeur de thèse et école doctorale : Sébastien Mercier, Professeur des Universités Laboratoire d Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux, Université Paul Verlaine UMR CNRS 7239, Ile du Saulcy, Metz Cedex, France Ecole Doctorale : Energie, Mécanique, Matériaux, EMMA ED409 Nancy-Metz Encadrants : S.El Maï (Gramat), D.Jouve (DIF) Contact : D. Jouve CEA/DAM Ile de France /104 CEA/DAM Sujets de thèse 2015

103 Sujets de thèse 2015 CEA/DAM 103/104

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