Thèse Passage à l'Échelle des Simulations de Dynamique des Dislocations pour l'Étude du Vieillissement des Matériaux du Nucléaire H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences Laboratoire de recherche : CEA/SRMA - Service de Recherches Matériaux et Procédés Avancés Direction de la thèse : Fabien ONIMUS ORCID 0000000331956120 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-07-01T23:59:59 Les matériaux utilisés dans les systèmes nucléaires de production d'énergie sont soumis à des sollicitations mécaniques, thermiques et d'irradiation, conduisant à une évolution progressive de leur tenue mécanique. La compréhension et la modélisation des mécanismes physiques impliqués est un enjeu important.
La simulation par Dynamique des Dislocations vise plus particulièrement à comprendre le comportement du matériau à l'échelle du cristal en simulant de façon explicite les interactions entre les dislocations, la microstructure et les défauts cristallins induits par l'irradiation. Le CEA, le CNRS et l'INRIA développent à cet effet le code de calcul NUMODIS depuis 2007.
Des travaux plus spécifiques aux alliages de zirconium ont permis de valider et enrichir la capacité de NUMODIS à traiter ces mécanismes physiques individuels en les confrontant directement à l'expérience, via des essais de traction in situ sous microscope électronique en transmission. Ces études se trouvent néanmoins limitées par l'incapacité actuelle du code NUMODIS à traiter un nombre suffisamment élevé et représentatif de défauts, et ainsi d'obtenir le comportement mécanique du grain (~10 microns).
L'objectif du travail proposé est de mettre en place de nouveaux algorithmes pour étendre les fonctionnalités du code, proposer et tester de nouveaux algorithmes numériques, paralléliser certaines parties encore traitées séquentiellement et finalement de démontrer la capacité du code à simuler le mécanisme de canalisation de la déformation dans un grain de zirconium irradié.
Les travaux porteront en priorité sur les algorithmes de calcul des vitesses, de formation de jonctions et d'intégration en temps, nécessitant à la fois une maîtrise de la physique des dislocations et des méthodes numériques correspondantes. Des algorithmes d'intégration proposés récemment par l'université de Stanford et au LLNL seront à cet effet implémentés et testés.
Un travail important sera également consacré à l'adaptation du code actuel (parallélisme hybride MPIOpenMP), aux nouvelles machines de calcul faisant la part belle aux processeurs GPU, via l'adoption du modèle de programmation pour le calcul intensif Kokkos.
S'appuyant à la fois sur les travaux expérimentaux et numériques précédents, cette étude se terminera par la démonstration de la capacité de NUMODIS à simuler le mécanisme de canalisation dans un grain de zirconium irradié, et à identifier voire modéliser les principaux paramètres physiques et mécaniques impliqués.
A l'interface entre plusieurs domaines, le candidat devra avoir de bonnes bases en physique et/ou en mécanique, tout en étant à l'aise en programmation et en analyse numérique. Les matériaux utilisés dans les systèmes nucléaires de production d'énergie sont soumis à des sollicitations mécaniques, thermiques et d'irradiation, conduisant à une évolution progressive de leur tenue mécanique. La compréhension et la modélisation des mécanismes physiques impliqués est un enjeu important.
L'objectif principal de l'étude est de transposer le code 'séquentiel' de dynamique des dislocations en code 'parallèle' afin de pouvoir réaliser des simulations numériques sur un nombre élevé de segments de dislocation et ainsi parvenir à simuler un monocristal complet. L'outil utilisé pour simuler les mécanismes élémentaires de déformation des matériaux est la dynamique des dislocations discrètes. Celle-ci vise plus particulièrement à comprendre le comportement du matériau à l'échelle du cristal en simulant de façon explicite les interactions entre les dislocations, la microstructure et les défauts cristallins induits par l'irradiation. Le CEA, le CNRS et l'INRIA développent à cet effet le code de calcul NUMODIS depuis 2007 (Etcheverry 2015, Blanchard 2017, Durocher 2018). Des travaux plus spécifiques aux alliages de zirconium (Drouet 2014, Gaumé 2017, Noirot 2025) ont permis de valider et enrichir la capacité de NUMODIS à traiter ces mécanismes physiques individuels en les confrontant directement à l'expérience, via des essais de traction in situ sous microscope électronique en transmission. Ces études se trouvent néanmoins limitées par l'incapacité actuelle du code NUMODIS à traiter un nombre suffisamment élevé et représentatif de défauts, et ainsi d'obtenir le comportement mécanique du grain (~10 microns).