Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La France prévoit de construire des réacteurs nucléaires de 4e génération. Ils utiliseraient du sodium liquide comme fluide caloporteur et seraient construits en acier austénitique 316L(N). Afin de garantir un fonctionnement optimal, la tenue de cet acier doit être vérifiée. Pour cela, la corrosion de l’acier 316L(N) par le sodium liquide doit être bien connue.La littérature montre que plusieurs phénomènes de corrosion sont possibles. Pour chacun de ces phénomènes, l’influence de la présence d’oxygène dans le sodium est grande. Nous avons donc étudié la corrosion des aciers austénitiques par le sodium liquide en présence d’oxygène.Les données thermodynamiques permettent de montrer que la formation de chromite de sodium est possible sur les aciers austénitiques immergés dans le sodium contenant de l’ordre de 10 μg.g-1 d’oxygène pour des températures inférieures à 650 °C (conditions réacteurs).L’étude expérimentale montre que la chromite de sodium se forme à 650 °C dans le sodium contenant 200 μg.g-1 d’oxygène. À cette même concentration et à 550 °C, la chromite de sodium est observée avec certitude uniquement pour les longues durées d’immersion (> 5000 h). Les résultats à 450 °C sont moins évidents. Par ailleurs, l’acier est appauvri en chrome dans toutes les conditions étudiées.Ces résultats suggèrent que la chromite de sodium se dissout dans le sodium au fur et à mesure de sa formation. Des modèles de formation de la chromite de sodium, approchéelimitée par la diffusion du chrome dans l’acier (en volume et aux joints de grains) et de dissolution, supposée limitée par le transport dans le métal liquide ont permis de montrer que la formation et la dissolution simultanée de la chromite de sodium est un mécanisme possible pour expliquer nos résultats. / France is planning to construct the 4th generation of nuclear reactors. They will use liquid sodium as heat transfer fluid and will be made of 316L(N) austenitic steel as structural materials. To guarantee optimal operation on the long term, the behavior of this steel must be verified. This is why corrosion phenomena of 316L(N) steel by liquid sodium have to be well-understood.Literature points out that several corrosion phenomena are possible. Dissolved oxygen in sodium definitely influences each of the corrosion phenomenon. Therefore, the austenitic steel corrosion in oxygen-containing sodium is proposed in this study.Thermodynamics data point out that sodium chromite formation on 316L(N) steel is possible in sodium containing roughly 10 μg.g-1 of oxygen for temperature lower than 650 °C (reactor operating conditions).The experimental study shows that sodium chromite is formed at 650 °C in the sodium containing 200 μg.g-1 of oxygen. At the same concentration and at 550 °C, sodium chromite is clearly observed only for long immersion time (> 5000 h). Results at 450 °C are more difficult to interpret. Furthermore, the steel is depleted in chromium in all cases.The results suggest the sodium chromite is dissolved in the sodium at the same time it is formed. Modelling of sodium chromite formation - approached by chromium diffusion in steel (in grain and grain boundaries -, and dissolution - assessed by transport in liquid metal - show that simultaneous formation and dissolution of sodium chromite is a possible mechanism able to explain our results.

L'action d'un champ magnétique variable sur une couche mince de métal liquide est étudiée d'un point de vue expérimental et théorique. Dans le chapitre I, le dispositif expérimental est décrit. Une étude expérimentale est ensuite menée où l'on souligne la différence de comportement entre une nappe épaisse de métal liquide et une nappe mince. En effet, si le dispositif est axisymétrique en l'absence de champ magnétique, cette symétrie est conservée dans le cas d'une nappe épaisse, lorsque l'on applique un champ magnétique. En revanche, la symétrie est rompue dans le cas d'une nappe mince de métal liquide. A champ inducteur donné, les formes que prend la nappe aussi bien dans le cas d'une nappe mince que d'une nappe épaisse sont des états d'équilibres stables. L'objectif principal de cette thèse est d'expliquer les équilibres stables de la nappe mince en se basant sur une méthode de minimum d'énergie. Le chapitre II présente la formulation magnétique du problème ainsi que le bilan énergétique qui en découle. Le chapitre III traite des méthodes de calcul choisies pour la résolution de notre modèle et pour la validation d'hypothèse. Deux méthodes de résolution numérique y sont décrites, l'une est la méthode des éléments finis et l'autre la méthode des intégrales de frontières. Le dernier chapitre présente les résultats obtenus par la résolution du modèle magnétique, ces résultats de simulation sont ensuite comparés aux résultats expérimentaux.

Les travaux de cette thèse portent sur le refroidissement descomposants électroniques de puissance par métal liquide. Les efforts se sontconcentrés plus particulièrement autour de deux fonctions : la pompeélectromagnétique servant à mettre le fluide en mouvement et le refroidisseur àminicanaux situé sous la source de dissipation.Le mémoire de thèse se structure en quatre chapitres équivalents. Dans lepremier, l'apport des métaux liquides pour le refroidissement des composantsactifs de puissance est démontré. Dans un deuxième temps, l'étude théorique etexpérimentale d'une pompe électromagnétique à conduction est effectuée. Lesystème de refroidissement est plus particulièrement abordé dans le troisièmechapitre. Enfin, des réflexions sur la mise en oeuvre des refroidisseurs à métauxliquides en électronique de puissance sont discutées dans la dernière partie.Grâce à elles, nous voyons que le champ d'application de ces travaux favorisel'émergence de solutions innovantes pour la gestion thermique des composantsélectronique de puissance.

Aujourd’hui l’électronique fait partie intégrante de nos vies. En effet, de plus en plus d’objets intègrent de l’électronique permettant de les connecter, on appelle cela l’internet des objets (IoT). Tous ces dispositifs disposent d’une connectivité sans fil, rendant ainsi indispensable l’intégration d’une ou plusieurs antennes. De plus, l’électronique devant s’adapter à des objets de plus en plus petits et flexibles embarquant de plus en plus de capteurs tout en consommant de moins en moins d’énergie, il est intéressant de se pencher sur l’étude de nouveaux matériaux pour la réalisation d’antennes devant s’adapter à ces nouvelles contraintes. Dans ce cadre, nous nous sommes attachés dans ce travail de recherche, à la conception de structures antennaires à base de métaux liquides à température ambiante dans le but de réaliser des antennes conformables de formes complexes associant l’impression 3D, des antennes reconfigurables et des structures rayonnantes ayant la capacité de capteur. Dans ce manuscrit des prototypes d’antenne comportant ces caractéristiques ont été simulés, réalisés et mesurés. / Today, electronic is an integral part of our lives. Indeed, more and more objects integrate electronics to connect each other, this is the Internet of Things (IoT). All of these wireless devices need one or more antennas. Furthermore, It’s useful to develop new materials to realize new antennas that fit with new constraints: smaller and flexible objects, more and more sensors and less and less consuming.In this context, we have focused this research on antenna structures based on metals which are liquid at room temperature to realize conformable antennas of complex shapes combining 3D printing, reconfigurable antennas and radiant structures with the ability to sensor. In this manuscript, antenna prototypes with these characteristics have been simulated, realized and measured.

Dans la galvanisation à chaud, les aciers sont protégés contre la corrosion par une mince couche de zinc obtenue par immersion dans un bain d’alliage de zinc. Avant ce processus, les tôles d'acier subissent un recuit de recristallisation afin d'éliminer l’écrouissage après laminage à froid. Les conditions de recuit utilisées réduisent le film d'oxyde de fer natif, ce qui favorise la mouillabilité de la surface de l'acier par le zinc liquide. Cependant, les nouveaux aciers à haute résistance contiennent des quantités importantes d'éléments d’addition, tels que le silicium et le manganèse. Ces élements diffusent à la surface de l'acier pendant le recuit de recristallisation et forment des particules ou des films d'oxyde par oxydation sélective externe. Si le fer pur est bien mouillé par le zinc liquide, ces oxydes ne le sont pas et leur présence à la surface peut entraîner des défauts dans le revêtement final.Pour étudier l'influence de la taille et de la distribution des oxydes sur le mouillage par le métal liquide, nous avons étudié un mouillage non réactif du plomb liquide sur une surface hétérogène texturée Fe / silice en utilisant la technique de chute de goutte.Ces surfaces ont été conçues par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma, suivi d'un procédé photolithographique.Après l'impact, la goutte s'étend jusqu'à son diamètre d'étalement maximal. S’ensuit une phase de recule de la goutte. Pendant son recul, la goutte est plus ou moins retenue, en fonction du taux de couverture de silice, sur le fer pur: phénomène d’accrochage-glissement. Sur les surfaces à faible teneur en silice, ce phénomène entraîne une déformation de la forme de la goutte qui est plus allongée dans un sens et quelquefois à la division de la goutte.Il a été démontré que le mouillage est affecté principalement par la fraction de surface de la silice.Enfin, nous avons modélisé les différentes phases de l'étalement de la goutte sur ces surfaces hétérogènes. Des modèles de littérature ont été revus et adaptés et nous avons proposé des modèles macroscopiques de l'oscillation de la goutte pendant son étalement. / In hot-dip galvanizing, steel sheets are protected against corrosion by a thin layer of zinc obtained by immersion in a zinc alloy bath. Before this process, the steel sheets undergo recrystallization annealing to eliminate stresses after cold-rolling. The annealing conditions used reduce the native iron oxide film, which promotes the wettability of the steel surface with liquid zinc. However, new high-strength steels contain significant quantities of addition elements, such as silicon and manganese. These elements diffuse on the surface of the steel sheets during recrystallization annealing and form oxide particles or films by selective external oxidation. If pure iron is well wet with liquid zinc, these oxides are not and their presence on the surface can lead to defects in the final coating.To study the influence of oxide size and their distribution on liquid metal wetting, we studied a non-reactive wetting of liquid lead on a heterogeneous Fe / silica textured surface using the dispensed technique.These surfaces were designed by plasma-assisted chemical vapour deposition followed by a photolithographic process.After impact, the drop extends to its maximum spreading diameter. This is followed by a phase of drop receding. During this, the drop is more or less retained, depending on the silica coverage rate, on the pure iron: stick-slip motion. On surfaces with low silica content, this phenomenon causes a deformation of the drop shape which is more elongated in one direction and sometimes at the division of the drop.We showed that wetting is mainly affected by the surface fraction of silica.Finally, we modelled the different phases of drop spreading on these heterogeneous surfaces. Literature models were reviewed and adapted and macroscopic models of the oscillation of the drop during its spreading were proposed.

Cette thèse se situe dans le cadre de la conception du réacteur nucléaire à caloporteur sodium ASTRID, actuellement à l'étude au CEA Cadarache. La mesure de vitesse du sodium liquide dans les boucles primaire et secondaire, ainsi que la détection de bulles, en cas de fuite par exemple, représentent un enjeu majeur pour le contrôle et la surveillance en fonctionnement du réacteur. Le caractère conducteur électrique du sodium liquide permet d'envisager l'utilisation de débitmètres à courants de Foucault, ou ECFM (pour Eddy Current Flow Meter) pour répondre à ces fonctions. Une précédente thèse réalisée par Mitlesh Kumar a permis de découpler le signal mesuré à l'ECFM relatif à la vitesse du métal, de celui relatif à la présence d'hétérogénéités dans le métal (telles que des bulles). L'objet de la présente thèse est de caractériser expérimentalement et analytiquement les effets de la vitesse et de la présence d'une inclusion isolante sur le signal mesuré, à partir d'écoulements modèles. Cette approche, complémentaire avec un certain nombre d'études en écoulement réel recensées dans la littérature, a pour objectif d'apporter un outil de compréhension physique au système. Deux dispositifs expérimentaux en métal liquide (galinstan) sont réalisés. Le premier dispositif représente un écoulement de galinstan en conduite cylindrique avec un champ de vitesse uniforme (écoulement piston), contenant une inclusion rigide électriquement isolante simulant une bulle. Le second dispositif expérimental est un écoulement en conduite de galinstan réel en l'absence d'inclusion. Les paramètres contrôlés sont la vitesse débitante du métal liquide (de 0.01 à 1 m/s), la taille et la position de l'inclusion (rayon entre 1 et 2.5 mm, profondeur entre 3 et 6 mm) et la fréquence (de 0.5 à 20 kHz). Le rayon de la conduite vaut 12.5 mm, et l'épaisseur de peau varie entre 2.4 et 15.3 mm sur cette plage de fréquence. Deux modèles théoriques, basés sur la résolution de l'équation d'induction du potentiel vecteur, sont en outre développés pour déterminer les effets de la vitesse et les effets de la présence de l'inclusion sur le signal mesuré. Dans les deux expériences, il est montré que le signal mesuré relatif à la vitesse du métal varie linéairement avec la vitesse et est maximal à une certaine fréquence (f = 2 kHz ici). Ces résultats correspondent à ceux du premier modèle théorique et montrent un bon accord avec la littérature. Dans la première expérience par ailleurs, le passage de l'inclusion à travers l'ECFM se manifeste par une oscillation du signal mesuré. Le comportement de l'oscillation est correctement décrit par le second modèle théorique dans la limite des basses fréquences (jusqu'à 2 kHz) : l'amplitude de l'oscillation est alors proportionnelle au volume de l'inclusion et suit une loi de puissance en f^2. Aux hautes fréquences, il est montré que l'amplitude et le déphasage du signal mesuré relatif à la présence de l'inclusion sont impactés de manière importante par la taille et la profondeur de l'inclusion. Un début de méthode inverse est développé à partir de ce résultat, pour déterminer la taille et la position de l'inclusion / This thesis is included in the conception of the prototype of Sodium Fast Reactor (SFR) ASTRID, currently studied in the CEA Cadarache. Velocimetry of liquid sodium in the primary andsecondary loops, and bubble detection in sodium (e.g. in case of leaks) represent a major issue for the control and oversight of the reactor. The electrical conductive property of liquid sodium allows to consider the use of Eddy Current Flow Meters (ECFM) for this purpose. A previous thesis realized by Mithlesh Kumar highlighted a decoupling of the signal measured with the ECFMrelative to the velocity, to the one relative to the presence of heterogeneities (such as bubbles). The object of the present thesis is to caracterize experimentally and analytically the effects of velocity and the effects of the presence of an insulating inclusion on the measured signal, thanks to modeled flows. This approach, complementary with most of the studies of real flows existing in the litterature, aims to give a tool for a physical comprehension of the system. Two experimental set-ups with liquid metal (galinstan) have been developed. The first set-up represent a galinstan flow in a cylindrical duct at uniform velocity (plug flow), advecting electrically insulating rigidinclusion simulating a bubble. The second experimental set-up is a galinstan flow in a cylindrical duct without inclusion. The controled parameters are the flow velocity (from 0.01 to 1 m/s), the size and location of the inclusion (radius from 1 to 2.5 mm, depth of 3 and 6 mm) and the frequency (from 0.5 to 20 kHz). The radius of the duct is equal to 12.5 mm, and the skin depth varies between 2.4 and 15.3 mm for this frequency range. Two theoretical models, based on the resolution of the induction equation of the vector potential, are moreover developed to determine velocity effects and inclusion effects on the measured signal. In both experimental studies, it is shown that the measured signal relative to the liquid metal velocity varies linearly with velocity and is maximal at a given frequency (f = 2 kHz here). These results are corresponding well with those of the first theoretical model and show a good agreement with litterature. Besides, in the first experimental study, the passage of the inclusion through the ECFM manifests itself by an oscillation of the measured signal. The behaviour of the oscillation is well described by the second theoretical model within the limit of low frequencies (up to 2 kHz) : the amplitude of the oscillation is then proportionnal to the inclusion volume and follows a power law in f^2. At high frequencies, it is shown that amplitude and phaseshift of the measured signal relative to the presence of an inclusion are highly impacted by inclusion size and depth. A first step of inverse method is developed from this result, in order to determine size and location of an inclusion.

L’apparition des objets connectés intelligents dont nous sommes les témoins depuis quelques années a généré un besoin croissant d’antennes à bas coût et énergétiquement sobres. La capacité d’effectuer à la volée une mise en forme du faisceau où sa reconfiguration est une propriété particulièrement intéressante, qui pourrait permettre à l’objet intelligent d’effectuer des tâches telles que la surveillance de zone par exemple ou bien d’optimiser son bilan de liaison en ne visant qu’une seule direction de l’espace. Cela pourrait également mener à un accroissement de l’autonomie de l’objet, via une diminution de sa consommation énergétique, voir à le rendre totalement indépendant s’il devient suffisamment économe pour envisager son alimentation via des systèmes de récupération d’énergie. C’est dans ce contexte que nous proposons ici une nouvelle architecture d’antenne reconfigurable, capable d’un balayage de faisceau sur 360° degrés et basée sur l’utilisation de métal liquide au sein d’un système d’actionnement microfluidique. Dans le premier chapitre, nous ferons une rapide présentation des deux principales technologies de balayage de faisceau utilisées aujourd’hui avant d’étudier les diverses techniques de déplacement de métal liquide utilisées et documentées dans la littérature. L’objectif de ce travail est de sélectionner la technique la plus adaptée à nos besoins. Dans le second chapitre, nous proposerons les deux designs d’antennes envisagés pour notre système, basés sur l’architecture Yagi-Uda. Nous discuterons des avantages et inconvénients de chacun afin d’en sélectionner un qui sera examiné plus en avant dans le chapitre suivant. Dans le troisième chapitre, nous étudierons, à l’aide de simulations électromagnétiques, les performances du design d’antenne sélectionné dans le but de justifier notre choix. Cette étude se concentrera sur l’implémentation graduelle de la complexité du design retenu, en partant d’un système très théorique pour aboutir à une émulation très proche de ce que pourrait être un prototype final. Finalement, dans le quatrième et dernier chapitre nous considérerons deux preuves de concept du système complet ainsi que leurs différentes techniques de fabrications. Étant donné le fait que chaque preuve de concept se concentre soit sur l’aspect RF ou fluidique du système, nous étudierons aussi leurs performances respectives. Nous détaillerons également le développement de certains procédés de fabrication spécifiques utilisés pour réaliser les briques de base, en particulier les objets micro-fluidiques. Ce chapitre nous permet de conclure positivement cette étude de la faisabilité du concept proposé et développé dans ce travail. / The advent of autonomous connected smart objects we are witnessing since a few years has generated a growing need for low cost and energetically sober reconfigurable antennas. The ability to perform on the fly beam shaping and re-configuration is a particularly interesting property which would allow the smart object to perform task such as area surveillance for example and to optimize its link budget by targeting a specific direction of space. This could also allow the increase of the object’s autonomy, through a diminution of its power consumption, or even to render it fully autonomous if it becomes sober enough to envision the use of energy harvesting systems. It is in this context that we propose here a new reconfigurable antenna architecture, capable of 360° beam steering, based on the use of liquid metal within a microfluidic actuation system.In the first chapter, we will do a quick presentation of today’s two main beam steering technics used for antennas before studying the various used and documented technics of liquid metal displacement used in the literature for RF applications. The objective is to single out the better suited one to our requirements.In the second chapter, we will propose the two antenna designs envisioned for our system, based on the Yagi-Uda architecture. We will discuss the advantages and drawbacks of each in order to select one design which will be more closely investigated on the following chapter.In the third chapter, we will study, with the help of electromagnetic simulations, the performances of this selected antenna design in order to justify our choice. This study will focus on the gradual complexity implementation of the chosen design, from a very theoretical system to one very close to what a final prototype would be. Finally, in the fourth and last chapter we will consider two proofs of concept of the complete system and their various fabrications technics. Given that each proof of concept focus either on the RF or the fluidic aspect of the system, we will investigate their performances. We will also detail the development of some of the specific fabrication processes used for the basic building blocks, especially for the fluidic objects. This chapter allow us to conclude positively this study on the feasibility of this concept which was proposed and developed in this work.

Dans les travaux de recherche développés durant cette thèse, une première approche desécoulements magnétohydrodynamiques (MHD) multiphasiques est proposée. Cette approche seconcentre sur les phénomènes liés à l’interaction entre une dynamique interfaciale et un écoulementde coeur MHD. Le couplage induit entre rhéologie de surface etMHDde sous-phase est particulièrementillustré par le développement d’un viscosimètre annulaire surfacique, dédié à l’étude desmétaux liquides progressivement oxydés. En premier lieu sont introduits les éléments théoriquespropres à laMHDet à la rhéologie de surface. La modélisation de leur couplage fait intervenir deuxparamètres interfaciaux : les viscosités surfaciques dilatationnelle et de cisaillement. L’influence respectivede ces deux paramètres sur l’écoulement MHD de sous-phase est étudiée analytiquementet numériquement dans le cas d’un écoulement (stratifié) annulaire MHD permanent. Dans la configurationretenue, un champ magnétique uniforme vertical est imposé, perpendiculairement à lasurface liquide graduellement oxydée. Le rôle décisif des contraintes visqueuses interfaciales concernantl’(in)activation des couches de Hartmann est démontré, conduisant à des topologies atypiquesd’écoulement MHD. Le viscosimètre annulaire MHD est ensuite proposé en tant que méthodeexpérimentale originale, permettant la mesure sélective des viscosités surfaciques de fluides électroconducteurs.Les premières campagnes expérimentales aboutissent à une estimation de la viscositéde cisaillement interfacial d’un alliage métallique (GaInSn) liquide à température ambiante. Finalement,une ouverture sur l’écoulement MHD à proximité d’une inclusion gazeuse sphérique rigideest discutée en annexe de ce projet, en lien avec des conditions mécaniques variables à l’interfaceliquide/gaz pilotées par la rhéologie de surface, constituant une première approche vers la descriptiondes écoulements MHD dispersés. / In this thesis work, a first approach towards the description of magnetohydrodynamic(MHD) multiphase flows is proposed, based on the investigation of the role of surface rheologyin permanent regime. The study of the coupling between bulk MHD and surface rheology is particularlymotivated by the development of an annular surface viscometer devoted to liquid metalstopped with an oxidation layer. First, theoretical foundations of MHD and of surface rheologyare separately introduced. The modelling brings out a strong coupling between bulk and surfacevelocities, the latter being dependent on two interfacial parameters: the surface shear and dilatationalviscosities. Their respective influence is analytically and numerically investigated in the caseof a permanent annular (stratified) MHD end-driven flow. In the considered geometry, a vertical(uniform) magnetic field is imposed, perpendicular to the gradually oxidising liquid surface. Thecontribution of planar surface viscous stresses to the possible electrical activation of Hartmannlayers is demonstrated, leading to a variety of atypical MHD flow patterns. The annular MHDviscometer is then developed as a first device able to perform selective measurement of the surfaceviscosities of electroconductive fluids. First experiments lead to an estimated value of the surfaceshear viscosity for a liquid alloy (GaInSn) at room temperature. Some hints are finally given to investigatethe study case of aMHDflow past a rigid fluid sphere, with varying interfacial conditionsgoverned by surface rheology, as an additionalwork constituting a first step towards the descriptionof dispersed MHD flows.

Les travaux de cette thèse portent sur le refroidissement descomposants électroniques de puissance par métal liquide. Les efforts se sontconcentrés plus particulièrement autour de deux fonctions : la pompeélectromagnétique servant à mettre le fluide en mouvement et le refroidisseur àminicanaux situé sous la source de dissipation.Le mémoire de thèse se structure en quatre chapitres équivalents. Dans lepremier, l’apport des métaux liquides pour le refroidissement des composantsactifs de puissance est démontré. Dans un deuxième temps, l’étude théorique etexpérimentale d’une pompe électromagnétique à conduction est effectuée. Lesystème de refroidissement est plus particulièrement abordé dans le troisièmechapitre. Enfin, des réflexions sur la mise en oeuvre des refroidisseurs à métauxliquides en électronique de puissance sont discutées dans la dernière partie.Grâce à elles, nous voyons que le champ d’application de ces travaux favorisel'émergence de solutions innovantes pour la gestion thermique des composantsélectronique de puissance. / The work presented in this Phd manuscript deals with cooling powerelectronics devices using an electrical conductive fluid. Two important functionshave been considered: the study and the realization of the electromagnetic pumpwhich circulated the fluid in the cooling loop. The second function was study andrealization of the cooler which evacuated the heat from the electronics device.This document has four chapters: introduction to power electronics coolingsystem with liquid metal, electromagnetic pump study, cooler study, and at lastreflections on realizing liquid metal cooler for power electronics devices. Theresults of this work concern a wide range of applications, especially towards newthermal management solutions of power electronics devices.