Thèse Doctorale sur la « Modélisation et Conception de Systèmes Nucléaires pour la Propulsion Électrique Spatiale Étude des Technologies de Réacteurs Refroidis au Gaz Gcr et de Réacteurs à Métal L H/F - CNRS

Description du Poste Sujet De Thèse MissionsDepuis 2019, l'équipe Physique des Réacteurs du LPSC travaille sur la conception de microréacteurs destinés à la propulsion nucléaire électrique spatiale (Nuclear Electric Propulsion, NEP) ainsi que sur le développement d'outils numériques (NepFOAM et PRESTO) spécifiquement dédiés à la modélisation de ces systèmes. PRESTO occupe une place centrale dans le processus de conception en aidant à identifier les concepts les plus prometteurs et à déterminer les paramètres optimaux (taille, matériaux, enrichissement du combustible, température, débit, etc.) de l'ensemble des sous-systèmes NEP, lesquels sont ensuite étudiés plus finement à l'aide de simulations multiphysiques haute fidélité réalisées avec NepFOAM.Au cours de la thèse actuellement en cours, cofinancée par le CNES, PRESTO a été considérablement enrichi par l'intégration d'une nouvelle technologie de réacteur : le réacteur à caloducs (Heat Pipe Reactor, HPR). Le présent projet de thèse vise à poursuivre et à étendre ce développement afin de couvrir l'ensemble des principales technologies de réacteurs envisagées pour la propulsion nucléaire électrique, tout en prenant également en compte les applications de production d'énergie de surface.Deux nouveaux concepts de réacteurs seront intégrés à PRESTO : les réacteurs refroidis au gaz (Gas-Cooled Reactors, GCR) et les réacteurs à métal liquide (Liquid Metal Reactors, LMR). En parallèle, un nouveau système de conversion d'énergie fondé sur le cycle de Brayton sera implémenté dans l'outil. Bien que ce cycle soit particulièrement bien adapté aux GCR, il constitue également une option pertinente pour les HPR, les réacteurs à sels fondus (MSR) et les LMR. Dans une phase ultérieure de la thèse, PRESTO sera également étendu afin de permettre l'optimisation préliminaire de systèmes de production d'énergie de surface destinés, par exemple, à des bases lunaires ou martiennes.Grâce à ces nouvelles fonctionnalités, PRESTO permettra de répondre à des questions fondamentales de conception allant bien au-delà de simples comparaisons de performances entre technologies. En intégrant également les contraintes spécifiques aux systèmes de production d'énergie de surface, l'outil permettra d'évaluer dans quelle mesure les technologies développées pour la propulsion nucléaire électrique peuvent être adaptées à des applications sur la Lune ou sur Mars.1. Développement et implémentation du modèle de réacteur refroidi au gaz (GCR) et du cycle de Brayton dans PRESTO (année 1).2. Développement du modèle de réacteur à métal liquide (LMR), en considérant notamment des concepts refroidis au sodium (Na), à l'alliage sodium-potassium (NaK) ou au lithium (Li) (année 2).3. Études comparatives des performances des quatre principales technologies de propulsion nucléaire électrique : LMR, GCR, HPR et MSR (années 2 et 3). Les modèles existants seront améliorés si nécessaire.4. En fonction de l'avancement des travaux, intégration de nouvelles contraintes de conception et de nouveaux modèles (notamment le dimensionnement du blindage radiologique) afin de permettre l'optimisation de systèmes destinés aux applications de production d'énergie de surface (année 3). Rédaction du manuscrit de thèse (année 3).La conception des réacteurs GCR et LMR, réalisée dans les étapes 1 et 2, nécessitera le développement de modèles numériques neutroniques, thermo-hydrauliques et mécaniques adaptés à ces technologies. Ces modèles permettront de prendre en compte différents matériaux pour le combustible, la gaine, le fluide caloporteur, le réflecteur et, le cas échéant, le modérateur. Ils serviront à évaluer les conditions de fonctionnement (puissance, température, pression, débit massique, etc.), les dimensions et les masses des principaux composants du réacteur, ainsi que les limites de conception et de sûreté.Les modèles neutroniques utilisés pour calculer la masse critique seront construits à partir de simulations Monte Carlo réalisées avec le code SERPENT. Ces calculs permettront également de déterminer les termes sources neutroniques et gamma nécessaires au dimensionnement du blindage, ainsi que la fluence neutronique maximale subie par les matériaux de structure. Ils devront aussi permettre d'étudier l'influence de différents niveaux d'enrichissement du combustible ainsi que des spectres neutroniques thermiques ou rapides.Pour les GCR, le combustible retenu sera de type TRISO, tandis que les LMR utiliseront une conception plus classique basée sur des crayons combustibles contenant des pastilles de UN ou de UO. Les modèles thermo-hydrauliques, destinés à évaluer les températures, les flux thermiques et les débits dans les différents composants du coeur, seront développés à l'aide d'approches à paramètres concentrés ou de modèles unidimensionnels fondés sur les équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie. Les systèmes de contrôle de la réactivité seront conçus en tenant compte des coefficients de rétroaction, de l'évolution du combustible sous irradiation pendant toute la durée de la mission, des variations des températures de fonctionnement et des procédures de démarrage et d'arrêt du réacteur.L'ensemble de ces modèles numériques servira à construire la base de données utilisée par PRESTO pour le processus d'optimisation de la conception.Au cours de la troisième étape, une comparaison détaillée des performances des divers concepts de NEP sera réalisée sur une large gamme de puissances électriques afin de couvrir différents profils de mission spatiale. Cette analyse permettra d'identifier les technologies les mieux adaptées aux exigences spécifiques de chaque mission.Lors de la quatrième étape, et en fonction de l'avancement des travaux, les contraintes de conception, par exemple celles liées au blindage radiologique, seront adaptées afin de prendre en compte les spécificités des réacteurs destinés à la production d'énergie de surface, par exemple pour une base lunaire permanente. La dernière phase du projet sera consacrée à la rédaction du manuscrit de thèse.Enfin, en fonction de l'avancement du projet et des financements disponibles, cette thèse pourra également comporter un volet expérimental au cours de la deuxième année sur la plateforme FEST du LPSC. Ces travaux porteront notamment sur des expériences comparatives de conversion d'énergie et de transport thermique destinées à valider ou à améliorer les modèles développés dans PRESTO. Tout au long de la thèse, le doctorant participera également aux collaborations internationales actuellement en cours au sein de l'équipe. Votre Environnement de Travail Le laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble (LPSC) (http://lpsc.in2p3.fr) est une unité mixte de recherche associant le CNRS-IN2P3, l'Université Grenoble Alpes (UGA) et l'école Grenoble INP, pour un effectif moyen d'environ 230 personnes. Le doctorant(e) sera affecté(e) au groupe Physique des Réacteurs composé de 10 agents du LPSC, il (elle) travaillera dans la plateforme expérimentale FEST (Fluids Experiments and Simulations in Temperature) et sera placé(e) sous l'autorité hiérarchique directe du responsable du groupe. Rémunération et avantages Rémunération La rémunération est d'un minimum de 2300,00 € mensuel Congés et RTT annuels 44 jours Pratique et Indemnisation du TT Pratique et indemnisation du TT Transport Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu'à 300€ À propos de l'offre Référence de l'offre UMR5821-CHRVEL-220 Section(s) CN / Domaine de recherche Interactions, particules, noyaux, du laboratoire au cosmos À propos du CNRS Le CNRS est un acteur majeur de la recherche fondamentale à une échelle mondiale. Le CNRS est le seul organisme français actif dans tous les domaines scientifiques. Sa position unique de multi-spécialiste lui permet d'associer les différentes disciplines pour affronter les défis les plus importants du monde contemporain, en lien avec les acteurs du changement. Le CNRS Les métiers de la recherche