Thèse Surveillance du Risque de Criticité par Bruit Neutronique dans les Milieux Nucléaires Dégradés H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Image, Cosmos et Simulation Laboratoire de recherche : Département de physique nucléaire - DRF/IRFU Direction de la thèse : Eric DUMONTEIL ORCID 0000000183311944 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-09-30T23:59:59 Cette thèse s'inscrit dans le champ de la sûreté nucléaire et porte sur la surveillance du risque de criticité dans des milieux nucléaires dégradés, avec comme application principale le corium des réacteurs accidentés de Fukushima Daiichi. Après l'accident de 2011, ce corium reste un milieu très hétérogène, mal caractérisé, évolutif, et donc difficile à décrire de manière fiable. Même si ce système est vraisemblablement profondément sous-critique, un retour local ou global vers des conditions plus réactives ne peut pas être totalement exclu lors des futures opérations de démantèlement, en raison d'évolutions possibles de la géométrie, de la répartition des matières fissiles ou de la présence d'eau. L'enjeu scientifique et opérationnel est donc de développer des outils capables d'évaluer en temps réel la marge à la criticité afin d'anticiper un risque avant l'atteinte d'un seuil dangereux.

L'originalité du projet repose sur l'exploitation du bruit neutronique, c'est-à-dire des fluctuations et corrélations temporelles du signal neutronique, pour remonter à des grandeurs liées à l'état de criticité du système, notamment au coefficient de multiplication effectif keff. Contrairement à un simple comptage moyen, ces fluctuations contiennent une information physique plus fine sur la dynamique neutronique. Toutefois, l'application de ces méthodes à des systèmes fortement hétérogènes, incertains, atténuants et soumis à de très forts débits de dose gamma constitue aujourd'hui un verrou scientifique majeur. La thèse cherchera précisément à lever ce verrou en adaptant les approches classiques du bruit neutronique à des environnements non maîtrisés, non stationnaires et spatialement découplés, représentatifs du corium et, plus largement, de certaines installations du cycle du combustible.

Le travail doctoral s'organisera autour de deux volets étroitement articulés. Le premier, théorique et numérique, visera à développer et tester des modèles de bruit neutronique capables de relier les observables mesurées à l'état réel de sous-criticité. Il s'appuiera sur des simulations Monte-Carlo, des modèles de géométries aléatoires et des approches d'inversion ou de métamodélisation pour quantifier l'influence de paramètres tels que l'hétérogénéité, la composition isotopique, le spectre neutronique, la porosité du corium ou encore le couplage entre régions fissiles. Une attention particulière sera portée à la validité des modèles de cinétique point par rapport à des approches multipoints dans les systèmes fortement découplés. Le second volet sera expérimental et instrumental. Il aura pour objectif de qualifier l'usage du détecteur Micromegas en conditions extrêmes, caractérisées par de très forts flux gamma, une forte atténuation et des contraintes de compacité. Des campagnes de mesures sont prévues sur plusieurs installations de référence, notamment CROCUS à l'EPFL, LR-0 en République tchèque, ainsi que via l'accès à des données issues d'installations américaines comme NCERC, dans le cadre des collaborations internationales du projet.

Au-delà du cas de Fukushima, cette recherche pourra ouvrir la voie à de nouvelles méthodes de surveillance pour d'autres configurations nucléaires complexes : combustibles usés, déchets anciens, installations du cycle ou problématiques de non-prolifération. Le doctorant développera ainsi une double compétence rare, à l'interface entre neutronique, simulation numérique avancée, instrumentation et sûreté-criticité. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la sûreté-criticité appliquée aux milieux nucléaires dégradés, avec pour cas d'étude principal le corium des réacteurs accidentés de Fukushima Daiichi. Lors des futures opérations de déblaiement et d'extraction de ces matériaux, un enjeu majeur sera de prévenir tout risque de recriticité. Même si le corium est a priori profondément sous-critique, son évolution géométrique, la redistribution locale des matières fissiles, la présence éventuelle d'eau ou la formation de configurations plus favorables à la multiplication neutronique pourraient conduire à une augmentation locale de la réactivité. Dans ce contexte, il devient essentiel de disposer de méthodes capables d'évaluer en temps réel la marge à la criticité afin d'anticiper un retour vers des conditions plus dangereuses.

Parmi les approches envisagées, le bruit neutronique stochastique constitue une voie particulièrement prometteuse. Contrairement aux méthodes reposant sur le seul flux neutronique moyen, il exploite les fluctuations et corrélations temporelles du signal neutronique, qui portent une information directe sur la dynamique de la réaction en chaîne et sur l'état de sous-criticité du système. Historiquement, ces approches ont d'abord été développées dans le cadre de méthodes telles que Rossi-, Feynman- ou Hage-Cifarelli, mais leur extension à des systèmes fortement hétérogènes, incertains, atténuants et soumis à de très forts débits de dose gamma demeure aujourd'hui un verrou scientifique et technologique. Le cas du corium de Fukushima est emblématique de cette difficulté, car il combine précisément incertitude géométrique, milieu aléatoire, fort découplage spatial et environnement radiologique extrême.

Les progrès récents des codes de neutronique ouvrent toutefois des perspectives nouvelles. Alors que les outils classiques étaient principalement conçus pour calculer des grandeurs moyennes à partir de l'équation de Boltzmann, le développement de simulations Monte Carlo analogues, microscopiques et corrélées permet désormais d'accéder aux fluctuations intrinsèques des populations neutroniques, aux multiplicités issues de la fission, ainsi qu'aux corrélations d'ordre supérieur dans des systèmes réalistes. Ces avancées, rendues possibles par l'augmentation des capacités de calcul et par l'enrichissement des données nucléaires corrélées, autorisent une modélisation beaucoup plus fidèle du bruit neutronique dans des configurations complexes, y compris en milieux aléatoires ou dégradés. Elles permettent également d'envisager des approches inverses pour relier les observables de bruit à des indicateurs de criticité comme alpha ou keff.

Ce sujet se situe ainsi à l'interface naturelle entre les compétences du Département de Physique Nucléaire du CEA et celles de l'ASNR. Au CEA/DPhN, l'intérêt porte notamment sur la physique de la fission, les multiplicités neutroniques, les méthodes Monte Carlo avancées et la modélisation stochastique du transport neutronique, qui constituent le socle théorique et numérique nécessaire à l'exploitation du bruit neutronique. À l'ASNR, l'enjeu est directement lié à la sûreté nucléaire et à la surveillance du risque de criticité dans des configurations complexes ou dégradées. La thèse bénéficiera ainsi d'un environnement scientifique particulièrement cohérent, combinant physique fondamentale de la fission, simulation neutronique de pointe, instrumentation et problématiques de sûreté-criticité. Développer une méthodologie globale de surveillance en temps réel du risque de criticité dans des milieux nucléaires dégradés et incertains, en exploitant le bruit neutronique pour estimer l'état de sous-criticité du système, notamment le coefficient de multiplication effectif keff. Plus précisément, la thèse vise à : (1) évaluer la marge à la criticité de systèmes sous-critiques incertains en configuration statique ; (2) suivre en temps réel l'évolution de cette marge pour des systèmes bien définis ; (3) qualifier une instrumentation neutronique adaptée aux environnements hostiles, en particulier un détecteur Micromegas résistant à de forts flux gamma La thèse reposera sur une approche couplant modélisation théorique, simulation numérique et validation expérimentale. Un premier volet consistera à adapter et développer des méthodes de bruit neutronique pour des systèmes hétérogènes et incertains, en s'appuyant sur des calculs Monte Carlo analogues et sur des modèles de géométries aléatoires représentatifs du corium. Un second volet portera sur l'exploitation d'observables de bruit pour reconstruire des paramètres de criticité, à l'aide d'approches inverses, de métamodèles ou de méthodes bayésiennes. Enfin, un troisième volet visera à confronter ces développements à des données expérimentales obtenues sur des installations de recherche, avec une attention particulière portée au détecteur Micromegas et à son comportement en environnement radiologique hostile.

Etudiant en master 2 ou en école d'ingénieur avec spécialisation en Mathématiques appliquées et/ou neutronique et/ou physique nucléaire et/ou physique des réacteurs