Laboratoire de Statistique et des Méthodes Avancées (LSMA)
Le Laboratoire de Statistique et des Méthodes Avancées (LSMA) est situé à Cadarache, dans le sud-est de la France.
Dirigé par Fabienne Ribeiro, il est constitué de 12 membres permanents, dont 3 membres Habilités à Diriger des Recherches (HDR), et de 5 à 7 étudiants.
Contexte
Le laboratoire développe la connaissance concernant les méthodologies dites « avancées » ou « amont » permettant d'étudier et modéliser le comportement thermomécanique des matériaux et leur vieillissement, la thermohydraulique et les échanges thermiques dans les principaux composants des réacteurs nucléaires, ainsi que l'interaction entre ces phénomènes.
Dans ce cadre, les savoirs et métiers du laboratoire sont les suivants :
- Science des données et système d'aide à la décision (statistique, machine learning, réseaux de neurones, réseaux bayésiens, analyse multicritère)
- Mécanique des fluides et thermique (CFD, milieux multiphasiques, transferts de chaleur, changements de phase…)
- Mécanique (micromécanique, mécanique de la rupture, milieux hétérogènes complexes, zones cohésives, lois de comportement, mécanique vibratoire, …)
- Physique du solide (structure électronique, Dynamique Moléculaire, Monte Carlo…)
- Couplages multi-physiques (thermo-mécanique, chimio-mécanique, neutronique-thermo-hydraulique…)
- Développements de logiciels scientifiques (Eléments Finis, méthodes numériques approches statistiques, traitement d'image, génie logiciel, etc…).
Axes de recherche
Il existe 3 axes de données : Axe sciences des données (J. Baccou, E. Chojnacki) - L' axe thermo-hydraulique et changement de phase - L'axe micromécanique et physique du solide :
Sciences des données (J. Baccou, E. Chojnacki)
L'intelligence artificielle :
Le LSMA développe des outils issus de l’intelligence artificielle pour répondre à des besoins métiers provenant des activités de recherche et d’expertise au sein de l’IRSN.
Dans le domaine de l’IA numérique, il contribue à la construction de modèles de machine learning de régression et de classification afin d’assister les ingénieurs de l’institut dans l’analyse de données provenant par exemple de simulateurs numériques complexes d’accidents ou d’appareils de mesures de contamination. L’équipe s’intéresse également aux questions de confiance dans les modèles de machine learning via notamment son activité en lien avec la thermo-hydraulique des systèmes de sûreté passifs.
Dans le domaine de l’IA symbolique, le LSMA développe des systèmes experts basés sur les réseaux bayésiens. Ce type d’outils permet d’exploiter la connaissance véhiculée au travers des logiciels métiers, pour aider au diagnostic du scénario en cours, au pronostic de son évolution ou encore aux éléments importants à contrôler. Plusieurs systèmes experts ont notamment été construits dans le cadre des études de l’incendie et de la ventilation dans des installations nucléaires.
Les statistiques :
Cette thématique concerne le développement de méthodes statistiques innovantes pour l’analyse de données produites à l’IRSN. Elle inclut deux directions de recherche principales.
La première direction s’inscrit dans le cadre de la prise en compte des incertitudes dans les analyses de sûreté. Elle traite d’abord de la modélisation des incertitudes par des approches issues de la théorie de l’incertain afin de prendre en compte la connaissance disponible. Elle aborde également la construction de méthodes inverses pour la quantification des incertitudes notamment dans les problèmes de thermo-hydraulique.
La seconde direction se focalise sur la question de la métamodélisation de simulateurs numériques complexes et est en forte interaction avec l’activité sur l’intelligence artificielle. On s’intéresse ici à la construction de métamodèles à base de processus gaussiens et à leur couplage avec des techniques de planification d’expériences numériques. Un cadre d’application d’intérêt concerne des simulateurs avec des sorties fonctionnelles comme dans le cas de la simulation de l’interaction fluide-structure au sein d’un générateur de vapeur. La spécificité de ce type de problème nécessite une adaptation des techniques statistiques classiques au traitement d’objets complexes.
Synthèse d'information :
Cette thématique porte sur la fusion et l’agrégation d’information provenant de plusieurs sources. Deux activités d’étude et de recherche sont menées afin de proposer des outils permettant de combiner ces informations.
La première activité traite du problème de l’évaluation et de la fusion d’informations. Il s’agit ici d’intégrer les connaissances sur une grandeur provenant de différentes sources (par exemple de capteurs ou d’experts) Pour cela, des approches sont développées en exploitant les techniques d’élicitation et de combinaison d’avis d’experts. Plusieurs applications ont été réalisées dans le cadre de l’analyse de résultats de simulations numériques et de la validation des incertitudes.
La seconde activité se focalise sur l’agrégation d’information à l’aide de méthodes multicritères (ELECTRE, AHP). L’objectif est de synthétiser des informations portant sur différents enjeux ou critères pour hiérarchiser des objets ou des actions à mener. Le LSMA s’intéresse en particulier au développement de ces méthodes pour l’étude de la représentativité de bases expérimentales utilisées dans la validation de codes de calcul.
Thermo-hydraulique et changement de phase
Thermo-hydraulique d'une piscine d'entreposage de combustible en situation accidentelle (J. Martin) :
Les travaux menés autour de la thermohydraulique des piscines d’entreposage de combustible au sein du laboratoire s’appuient sur une série d’expériences dédiées, menées à l’IRSN et en collaboration avec l’Université Catholique de Louvain, à petite échelle. Les expériences MIDI et Aquarius (cf. Figure 1), actuellement opérationnelles, permettent de valider les hypothèses d’ordre phénoménologique qui sous-tendent les approches de modélisation développées au sein du LSMA.
Ces expériences fournissent également, au moyen des mesures réalisées, des données de base pour le développement et/ou la validation de modèles numériques. Parmi les approches explorées au sein du laboratoire figurent des modèles raffinés, dits de CFD diphasique mais aussi des lois d’échelle, plus opérationnelles, pour une estimation rapide de l’état thermohydraulique d’une piscine en cours d’accident.
Figure ci-dessus : illustration du phénomène d’autovaporisation gravitaire, attendu accidentellement en piscine d’entreposage des combustibles, reproduit dans deux installations expérimentales de l’IRSN. Gauche : dispositif MIDI. Droite : dispositif Aquarius
Interactions fluide-structure au sein des générateurs de vapeur en situation normale et accidentelle (D. Vivaldi) :
Le LSMA analyse les phénomènes d’interactions fluide-structure pouvant concerner les réacteurs du parc. Il s’agit notamment des vibrations des crayons et des assemblages de combustible soumis à l’écoulement primaire d’eau, et des vibrations du faisceau tubulaire des générateurs de vapeur soumis à l’écoulement secondaire diphasique eau-vapeur. Pour cela, des méthodes de simulation couplée fluide-structure sont utilisées et développées. Ces simulations visent à prédire le comportement vibratoire des structures, en fonction des conditions de l’écoulement. Le LSMA participe à différents programmes de recherche visant à évaluer et valider les outils numériques dédiés à ces simulations, notamment via des essais expérimentaux.
Figure ci-dessus : exemple d’un calcul de l’écoulement au sein du chignon du faisceau tubulaire d’un GV (gauche) et un essai expérimental d’un faisceau tubulaire soumis à un écoulement diphasique transverse (droite).
Thermo-hydraulique des systèmes de sûreté passifs (P. Ruyer) :
Les systèmes passifs conçus pour jouer un rôle de refroidissement du réacteur lors d’un transitoire accidentel fonctionnement principalement dans un régime de convection naturelle, utilisant l’évolution de la flottabilité du fluide chaud voire diphasique pour transporter la chaleur. Les connaissances relatives aux capacités de circulation d’un fluide dans une boucle de type système passif, aux problématiques d’oscillations et de stabilité des performances en termes de transfert thermique restent limitées. Pour ces thématiques, le LSMA s’appuie sur le développement du projet PASTIS et de sa boucle ALCINA pour acquérir des connaissances et estimer la validation des outils de calculs scientifique. Il développe une activité partenariale avec VTT sur cette thématique.
Modélisation multiphysique du cœur d’un réacteur lors de transitoire de puissance (M. Forestier) :
Le LSMA s’intéresse au couplage multiphysique pour prendre principalement en compte les interactions entre l’hydraulique, la mécanique, la neutronique et la thermique. Au sein d’un réacteur nucléaire toutes ces physiques sont intimement liées et leur résolution 3D couplée par un outil de calcul scientifique est fondamentale d’un point de vue de la sûreté, notamment pour les transitoires accidentels de puissance. C’est pourquoi, en collaboration avec le SEMIA/BNTC et le SNC/LN, le LSMA s’implique et pilote le développement de l’outil scientifique ANTARES (Advanced Neutronic and Thermal-hydraulic for Analysis of REactor Safety) qui permettra à l’IRSN de disposer dans les prochaines années d’un réel moyen de calcul multiphysique afin de mener des analyses et études de sûreté pertinentes en toute autonomie.
Échanges thermiques gaine/réfrigérant et combustible réfrigérant lors d'accidents de réactivité (P. Ruyer) :
Un accident d’insertion de réactivité correspond au dépôt rapide d’énergie dans le combustible, entraînant notamment un échauffement rapide (jusqu’à 10 000 °Cs-1) de la gaine d’un crayon. L’estimation du risque de rupture du crayon lors d’un tel accident repose sur des analyses de tenue mécanique pour lesquelles l’évolution de la température de la gaine est un paramètre important.
En s’échauffant, la gaine peut déclencher l’ébullition de l’eau du circuit primaire qui l’entoure. L’ébullition est un mécanisme efficace de refroidissement tant que la paroi chaude de la gaine reste mouillée. Une fois asséchée par la formation d’un film de vapeur, la température de la gaine peut s’emballer ce qui dégrade certaines propriétés mécaniques.
La recherche développée au LSMA sur cette thématique correspond à l’étude expérimentale des spécificités des mécanismes de l’ébullition dans les conditions spécifiques d’échauffement rapide propres aux accidents de réactivité et à l’interprétation d’essais de tenue des crayons combustible réalisés en réacteur de recherche.
Figure ci-dessus : Instantané du développement de l’ébullition le long d’une paroi verticale chauffée et diagramme d’analyse temporelle de l’épaisseur de la couche de bulle en paroi lors de la phase de déclenchement de l’ébullition
Échanges thermiques gaine/réfrigérant lors d'accidents de perte de réfrigérant (H. Mutelle, P. Ruyer) :
L’accident de perte de réfrigérant primaire amène à un assèchement du combustible nucléaire, entraînant déformation, oxidation voire rupture des gaines des crayons. Les systèmes de secours permettent l’injection d’eau au sein du réacteur afin de maintenir son niveau de température en deçà d’un seuil qui mènerait à une dégradation excessive.
Les travaux au sein du LSMA concernent la modélisation numérique de l’efficacité du refroidissement des écoulements au sein de la géométrie déformée des crayons de combustible. Cette approche se base sur l’interprétation de résultats expérimentaux à l’aide de logiciels décrivant l’ensemble des mécanismes associés à ce refroidissement : la dynamique des gouttes et de la vapeur et les différents modes de transfert de chaleur en jeu.
Figure ci-dessus : Illustration schématique de l’ensemble des mécanismes physiques associés au refroidissement des crayons de combustible lors d’un accident de perte de réfrigérant primaire
Modélisation des forces s’exerçant sur un crayon de contrôle lors de sa chute dans le cœur en situation de séisme et en présence de déformation des assemblages combustible (H. Mutelle)
En cas d’arrêt automatique du réacteur, les grappes de commande et d’arrêt chutent sous leur propre poids dans le cœur du réacteur pour stopper le flux de neutron et donc la réaction nucléaire. Le temps de chute des grappes est un paramètre déterminant dans la démonstration de sûreté.
Le LSMA s’intéresse à l’évolution de ce temps de chute en cas de déformation de la géométrie du cœur et en présence de vibrations induites par un séisme. Le programme de recherche en cours comprend :
- un volet expérimental qui vise à obtenir des données sur l’influence de multiples paramètres (taux de déformation du cœur, amplitude des vibrations, …) à partir d’une maquette comprenant un crayon et un tube-guide à l’échelle 1 en hauteur
- un volet simulation qui doit permettre à terme d’évaluer les forces de frottement et de pression exercées par le fluide sur le crayon ainsi que les forces de contact entre les structures métalliques
Micromécanique et physique du solide
Développement de loi de comportements (P.G. Vincent) :
Une partie des travaux de recherche porte sur le développement de modèles de comportement mécanique pour des matériaux du nucléaire, comme les combustibles nucléaires (dioxyde d’uranium et MOX) et les aciers des réacteurs à eau sous pression (cuves et internes de cuve), à partir de la connaissance de leur microstructure. Des méthodes d’homogénéisation particulières en mécanique du solide sont développées et mises en œuvre selon les matériaux et problèmes considérés afin d’obtenir des modèles de comportement mécanique macroscopique : viscoplasticité, polycristaux, matériaux poreux…
Ces modèles de comportement mécanique sont souvent comparés à des simulations numériques en champs complets utilisant une méthode à base de Transformées de Fourier Rapide avec le code CraFT développé au LMA (Marseille). Des modèles de zone cohésive pour décrire la fissuration des matériaux à partir de modèles d’endommagement volumiques sont développés en collaboration avec le LMGC (Montpellier) et intégrés dans le code de calcul XPER.
Développement d’approches multiphysique : couplage chemio thermo mecanique (F. Péralès) :
Un axe de recherche porte sur le développement de modélisations et de méthodes numériques pour le couplage thermo-chimio-mécanique. L’objectif est ici de coupler le transport réactif d’espèces chimiques (diffusion et réactions chimiques) avec le comportement mécanique dans des milieux poreux discontinus. Les discontinuités initiales et évolutives sont prises en compte à l’aide de Modèles de Zones Cohésives. Les développements numériques sont capitalisés dans la plateforme XPER.
Cette approche a été appliquée dans le cadre de la compréhension de pathologies de gonflement dans les matériaux cimentaires (Réactions Sulfatiques Interne et Externe, Réactions Alcali-Granulats). Dans ce cadre, la précipitation de minéraux (par exemple l’ettringite) induit une pression de gonflement qui entraîne de fortes contraintes locales pouvant générer une fissuration du milieu poreux.
Afin d’obtenir des critères de rupture des joints de grains, utilisables dans des codes simulant le comportement thermomécanique du combustible en situation accidentelle, des calculs mécaniques de rupture à l’échelle mésoscopique, échelle du matériau, alimentés avec des données obtenues à l’échelle atomistique, sont indispensables. Une attention particulière est donc portée dans notre groupe à la remontée d’échelle atomistique-mésoscopique, en faisant dialoguer, par voie thermodynamique, les grandeurs (énergies de déformation, contraintes, déformations) obtenues par des approches atomistiques sur des systèmes de taille nanométrique avec des grandeurs correspondantes employées dans la mécanique des milieux continus.
Programmes de recherche
Projets portés par l’IRSN :
- ANR DENOPI
- ODOBA
- PASTIS
Projets Nationaux :
- ACIDITHY (NEEDS)
- QUTHY (NEEDS)
Projets de la Commission Européenne :
- Projet VIKING et GO-VIKING
- Projet H2020 ATLAS +
- Projet H2020 R2CA
- Projet ACES
- Projet ENTENTE
- Projet FRACTESUS
- Projet PASTEL
- Projet H2020 NARSIS
Equipement et logiciels
Les logiciels de calcul scientifique développés en propre :
- Chaine de calcul ANTARES, pour l'interaction entre thermohydraulique et neutronique lors de transitoires de puissance,
- Logiciel CIGALON, pour l'interaction thermique de type explosif entre eau et matériaux hautes températures,
- Logiciel SUNSET pour l'analyse et la propagation des incertitudes et l'analyse des données,
- Logiciel Xper, pour la simulation de la fissuration complexe de matériaux hétérogènes (crayon combustible, béton, …) et des interactions complexes entre corps (contact pastille-gaine, contact gaine-gaine,…),
Les logiciels de calcul scientifique extérieurs :
- Moyens de calcul généralistes (CAST3M, LAMMPS, ASTER, R, etc.)
- Logiciel à base de FFT en mécanique du solide : CraFT (LMA, Marseille)
- CFD : Code_saturne, Neptune_CFD, CFX, Fluent
- Thermohydraulique échelle système : CATHARE 2 et 3
Partenariat et réseaux de recherche
Principaux partenaires académiques :
- INSA Lyon, LMGC (Montpellier), CINaM (Marseille), Ecole Centrale Marseille, IMFT (Toulouse), LMDC (Toulouse), LEMTA (Nancy), CETHIL (Lyon), IUSTI (Marseille), UCL (Belgique), LIS (Marseille), LAMSADE (Paris), LMA (Marseille), PROMES (Perpignan), CentraleSupelec (Gif sur Yvette) …
GDR et Fédérations :
- Groupement de Recherche ModMat "Modélisation des Matériaux"
- Groupement de Recherche Transinter
- Fédération de recherche ECCOREV
- Laboratoire commun IRSN/CNRS /Université de Montpellier : MIST
- Consortium CONCRETE
Principaux partenaires industriels :
- CEA, EDF, FRAMATOME
A l'international :
- Groupe d'activités OCDE sur la CFD dans le domaine de la sûreté nucléaire
- Groupe d'activités OCDE Working Party on Materials Science Issues in Nuclear Fuels and Structural Materials
- Organismes de sûreté : BelV (Belgique), VTT (Finlande)
L'équipe
Fabienne Ribeiro (HDR), responsable du laboratoire - Jean Baccou (HDR), ingénieur-chercheur (sciences des données, responsable du logiciel SUNSET) - Éric Chojnacki, ingénieur-chercheur-expert (sciences des données) - Marc Forestier, ingénieur-chercheur (mécanique des fluides numérique, chef du projet ANTARES) - Andrei Jelea, chercheur (physique du solide) - Jimmy Martin, chercheur (thermohydraulique) - Hervé Mutelle, ingénieur-chercheur (mécanique des fluides) - Céline Pélissou, chercheur (mécanique du solide, co-directrice du MIST) - Frédéric Perales, Chercheur (mécanique numérique, responsable du logiciel XPER) - Pierre Ruyer (HDR), ingénieur-chercheur (mécanique des fluides, responsable du logiciel CIGALON) - Pierre-Guy Vincent, ingénieur-chercheur (mécanique du solide) - Daniele Vivaldi, ingénieur-chercheur (mécanique des fluides).
Audrey Sommera, post-doctorante (mécanique du solide, projet FRACTESUS) - Hakima Bouizem, post-doctorante (mécanique du solide, projet ACES) - Antonio Chahine, post-doctorant (mécanique des fluides, projet GO-VIKING).
Sirine Al Dandachli , doctorante (mécanique du solide) - Armi Manorosoa, doctorant (mécanique du solide) - Lucie Gomez , doctorante (mécanique du solide) - Loic Chaix, doctorant (mécanique du solide) - Giuseppe Spina, doctorant (mécanique des fluides) Clément Tosi, doctorant (mécanique des fluides).
Thèses et publications
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En savoir plus :
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Contact
Cheffe du laboratoire :
Fabienne RibeiroTél : +33 (0)4 42 19 97 46
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Coordonnées
IRSN/PSN-RES/SEMIA
Laboratoire d’Etude et de Modélisation du Combustible
P 3 - 13115 Saint-Paul-lez-Durance CEDEX