La prévision des incendies de forêt reste un défi puisque vitesse et direction de propagation dépendent des interactions multi-échelles entre la végétation, la topographie du terrain et les conditions météorologiques. Un modèle à l’échelle régionale peut donc difficilement prendre en compte le détail des processus physiques mis en jeu. Toute modélisation est entachée de nombreuses incertitudes (modélisation incomplète, méconnaissance du terrain, de la végétation et des interactions flamme/atmosphère, etc.) qu’il est nécessaire de quantifier et de corriger. Ces travaux de thèse proposent ainsi une modélisation régionale des incendies qui a des meilleures capacités de simulation et prévision, basée sur une évaluation des modèles et l’assimilation de données. L’évaluation de modèles a consisté à développer des simulations multi-physiques à l’échelle de la flamme, incluant la résolution des équations de Navier-Stokes réactives, l’évaluation du transfert radiatif vers la végétation, la construction d’un modèle de pyrolyse de la végétation ainsi que la modélisation de l’interface flamme/végétation afin de mieux comprendre la dynamique des incendies. La seconde approche proposée a consisté à mettre en place un prototype d’assimilation de données pour le suivi de la propagation du front de feu. L’idée est de rectifier la trajectoire simulée du front au fur et à mesure que de nouvelles observations sont mises à disposition, la différence entre les positions observées et simulées du front étant traduite en une correction des paramètres de vitesse de propagation ou directement de la position du front via l’algorithme du filtre de Kalman d’ensemble. Ces approches, tenant compte des incertitudes à la fois sur la modélisation des incendies et sur les observations disponibles, permettent ainsi d’améliorer la prévision de la dynamique des feux ainsi que des émissions atmosphériques, ce qui constitue un enjeu de taille pour la protection civile et environnementale. / Because wildfires feature complex multi-physics occurring at multiple scales, our ability to accurately simulate their behavior at large regional scales remains limited. The mathematical models proposed to simulate wildfire spread are currently limited because of their inability to cover the entire range of relevant scales, because also of knowledge gaps and/or inaccuracies in the description of the physics as well as inaccuracies in the description of the controlling input parameters (i.e., the vegetation, topographical and meteorological properties). For this purpose, the uncertainty in regional-scale wildfire spread modeling must be quantified and reduced. In this context, the goals of this thesis are two-fold. First, multi-physics detailed simulations of fire propagation, solving for the flame structure using Navier-Stokes equations for multi-species reacting flow and including radiation heat transfer, biomass pyrolysis as well as a flame/vegetation interface, were performed at the flame scale. These simulations were compared to measurements to provide a comprehensive understanding of the mechanisms underlying fire propagation. Second, the use of a data-driven simulator that sequentially integrates remote sensing measurements and relies on an empirical spread model was explored for regional-scale fire front tracking. The idea underlying this data assimilation strategy was to translate the differences in the observed and simulated fire front locations into a correction of the input parameters of the empirical model or directly of the fire front location via the ensemble Kalman filter algorithm. Since these two approaches account for uncertainties in fire spread modeling and measurements, they improve our ability to forecast wildfire dynamics and plume emissions. These challenges have been identified as a valuable research objective with direct applications in fire emergency response for civil defense and environmental protection.

La semi-perméation à haute température dans les matériaux conducteurs mixtes introduit des sollicitations chimiques. Ces matériaux sont donc sujets à des déformations d’origine thermique et d’origine chimique qui entraînent des contraintes thermo-chimio-mécaniques dont il convient de tenir compte pour anticiper leur tenue mécanique en service. Ce travail de modélisation en science pour l’ingénieur, intrinsèquement multiphysique, a pour but d’ouvrir la voie au calcul de structures de dimensions industrielles en adoptant une modélisation fonction des paramètres directement mesurables. Il s’articule principalement autour du développement d’un modèle macroscopique de déformation chimique. La modélisation proposée tient compte du transport de l’oxygène en transitoire. Les cinétiques d’échanges de matière à la surface du matériau avec leur conséquence en termes de chocs chimio-mécaniques sont évaluées. Pour simuler le comportement de structures complexes en trois dimensions, en régimes stationnaire et transitoire, les modèles ont été implémentés dans le code de calcul par éléments finis Abaqus. L’application porte sur un réacteur catalytique membranaire pour l’oxydation partielle du méthane en gaz de synthèse. L’histoire des sollicitations thermiques, chimiques et mécaniques rencontrée au cours du cycle de fonctionnement de la structure est prise en compte. La modélisation permet d’évaluer l’impact des conditions opératoires sur la tenue mécanique de la structure. / Technologies using high temperature oxygen transport through mixed conductor materials undergo thermal andchemical expansions. The industrial structures suffer from thermo-chemo-mechanical stresses which may be modeled to predict their mechanical reliability. This work is a step toward the development of design tools for mechanics of structure made of mixed conductor. The goal is to deal with measurable parameters such as temperature and oxygen partial pressure. The first aim is to provide a realistic macroscopic modelling of chemical expansion. The second one is to model the coupling between mechanics, oxygen transport and heat transfer. The oxygen bulk diffusion is described following the Wagner theory. The kinetics of surface exchange and their consequences in terms of chemo-mechanical shocks have been explored. In order to conduct computation of complex structures in three dimensions with steady and transient state, the models have been implemented in finite element analysis software (Abaqus). Comparison with analytical results is also reported. Finally, a semi-industrial catalytic membrane reactor for partial oxidation of methane to syngas is computed. The modelling helps to analysed the impact of operating conditions on the mechanical reliability of the whole structure.

L’objectif de cette thèse est l’étude des méthodes de couplage entre neutronique, thermique et mécanique. Après une revue générale des techniques de couplage, on s’est intéressé à la prise en compte de déformations mécaniques dans les simulations neutroniques. Les codes actuels de neutronique utilisant des méthodes déterministes ne sont généralement pas capables de traiter une géométrie déformée. Ce type de calcul a pourtant un intérêt fort pour la filière rapide et est un prérequis indispensable pour l’étude du couplage envisagée.Deux approches ont été identifiées et implémentées pour répondre à cette problématique, selon que l’on utilise un maillage de calcul mobile ou fixe. Elles ont été testées et confrontées sur les essais de gerbage du réacteur Phénix. Le couplage a été étudié ensuite, avec l’approche à maillage mobile, sur l’expérience Godiva qui présente un couplage à la fois conceptuellement simple et fort entre les physiques qui nous intéressent. Ces travaux ont permis de mettre en avant l’utilisation de la méthode de factorisation quasi-statique en neutronique qui permet de coupler efficacement un solveur de neutronique cinétique avec une autre discipline. Travail plus amont, le développement d’un solveur directement multiphysique a également été exploré. L’utilisation de l’algorithme de Newton sur les formes discrétisées des équations couplées a donné de bons résultats et semble être une approche généralisable à d’autres couplages.Cette thèse débouche ainsi à la fois sur une meilleure compréhension de la physique des cœurs déformés et sur des outils opérationnels pour leur simulation, mais aussi sur des recommandations très générales pour la mise en œuvre de calculs couplés. / The objective of this thesis is to study coupling techniques between neutron transport, heat transfer and mechanics. First, a very general review of coupling techniques in the literature was done. Then we worked on neutron transport simulations in wrapped cores. Most of current deterministic codes for neutron transport are not able to deal with deformed geometry. This kind of computations is however of special interest for fast neutrons reactors and is a prerequisite for our planned coupling study.Two approaches were identified and implemented to take into account core deformations, using respectively mobile and fixed meshing. They were tested and compared on the flowering tests of the reactor Phenix. The coupling itself was studied afterwards, on the Godiva experiment. It was chosen because of the direct, strong and time-dependent coupling it involves. On this case, the “quasi-static” factorization of neutron flux was shown to be an effective way to couple a space- and time-dependent neutron transport solver with another discipline. We also investigated the development of a unique multiphysics solver. The well-known Newton algorithm applied to the discretized forms of the coupled equations was shown to be an efficient tool, which could be generalized to other couplings.This thesis therefore leads, on the one hand, to a better understanding of the physics of deformed cores and to operational tools to simulate these effects, and on the other hand, to very general advices for multiphysics calculations.

La batterie lithium ion est la technologie de stockage d’énergie la plus répandue dans l'industrie automobile. Assurer sa haute efficacité, sa puissance, sa capacité, sa sécurité et son endurance présente un défi pour plusieurs chercheurs et industriels. En effet, une batterie est un système complexe renfermant plusieurs composants et soumis à divers risques de dégradations d’origines chimiques, mécaniques et électriques, se manifestant même dans les conditions normales de fonctionnement. Cependant, la batterie devrait assurer ses fonctions pour un grand nombre de cycles de charge et de décharge et continuer à servir sans que ces dégradations influencent sa performance globale. L’une des dégradations principales et inévitables est son gonflement qui induit une discontinuité électrique et une perte de sa capacité.En effet, le gonflement est un phénomène multi-physique qui fait intervenir l’électrochimie, la mécanique et la thermique. D’une part, une batterie lithium-ion est basée sur l’échange réversible de l’ion lithium entre une électrode positive et une électrode négative. Le processus d’insertion de l’ion dans les particules de l’électrode aboutit à un changement volumique significatif réversible de la batterie pour chaque cycle de charge/décharge. Cette variation de volume mène à la formation de contraintes quand la batterie est maintenue dans un pack rigide empêchant ou limitant sa déformation. D’autre part, la formation d’une couche à l’interface particule-électrolyte (SEI) suite aux réactions parasites se produisant à l’échelle de l’électrode constitue une cause principale d’un gonflement supplémentaire irréversible et de vieillissement de la batterie.Ainsi, le gonflement doit être pris en compte pendant la phase du dimensionnement mécanique de la batterie. Il est donc indispensable d’avoir un outil numérique fiable capable de prédire ce comportement mécanique pendant toutes les phases de fonctionnement de la batterie et de permettre aux concepteurs d’améliorer sa structure.Ce travail rentre dans le cadre d’une collaboration entre l’ENSTA ParisTech et le constructeur automobile Renault suite à un besoin industriel de comprendre et de maîtriser le gonflement des batteries utilisées dans les véhicules électriques et hybrides. Pour répondre à ce besoin, un modèle multi-physique et multi-échelle fondé sur la théorie de la thermodynamique des processus irréversibles, sur l’endommagement et sur la théorie de l’homogénéisation est développé. Il permet de décrire et de prédire la déformation d’une batterie lithium ion pendant son fonctionnement. Le modèle tient compte des phénomènes mécaniques, électrochimiques et thermiques qui se produisent à l’échelle locale des électrodes afin de calculer la déformation mécanique au niveau macroscopique de la batterie. / Lithium ion battery is the most popular energy storage technology in the automotive industry. Ensuring high efficiency, power, capacity, safety and endurance is a challenge for many researchers and manufacturers. Indeed, a battery is a complex system containing several components and subject to various risks of chemical, mechanical and electrical damage, manifesting even under normal operating conditions. However, the battery should perform its functions for a large number of charge and discharge cycles and continue to serve without these risks influencing its overall performance. One of the main and inevitable damage is its swelling, which induces an electrical discontinuity and a loss of its capacity.Indeed, swelling is a multi-physics phenomenon that involves electrochemistry, mechanics and heat. On the one hand, a lithium-ion battery is based on the reversible exchange of the lithium ion between a positive electrode and a negative electrode. The process of inserting the ion into the particles of the electrode results in a significant reversible volume change of the battery for each charge / discharge cycle. This variation in volume leads to the formation of stresses when the battery is held in a rigid pack preventing or limiting its deformation. On the other hand, the formation of a layer at the particle-electrolyte interface (SEI) following parasitic reactions occurring at the electrode scale is a major cause of irreversible additional swelling and aging of the drums.Thus, the swelling must be taken into account during the mechanical sizing phase of the battery. It is therefore essential to have a reliable numerical tool able to predict this mechanical behavior during all phases of battery operation and to allow designers to improve its structure.This work is part of a collaboration between ENSTA ParisTech and the car manufacturer Renault following an industrial need to understand and control the swelling of batteries used in electric and hybrid vehicles. To meet this need, a multi-physics and multi-scale model based on the theory of the thermodynamics of irreversible processes, mechanical damage theory and the homogenization theory is developed. It allows to describe and predict the deformation of a lithium ion battery during its operation. The model takes into account the mechanical, electrochemical and thermal phenomena that occur at the local scale of the electrodes in order to calculate the mechanical deformation at the macroscopic level of the battery.

Les simulations sont utilisées pour concevoir des chambres de combustion industrielles robustes et peu polluantes. Parmi les polluants, l’émission de particules de suies constitue une question sociétale et une priorité politico- industrielle, en raison de leurs impacts néfastes sur la santé et l'environnement. La taille des particules de suies joue un rôle important sur ces effets. Il est donc important de prévoir non seulement la masse totale ou le nombre de particules générées, mais également leur distribution en taille (PSD). De plus, les suies peuvent jouer un rôle important dans le rayonnement thermique. Dans des configurations confinées, la prédiction des transferts de chaleur est une question clé pour augmenter la robustesse des chambres de combustion. Afin de déterminer correctement ces transferts, les flux radiatifs et de conducto-convectifs aux parois doivent être pris en compte. Enfin, la température pariétale est aussi contrôlée par les transferts conjugués de chaleur entre les domaines fluides et solides. L’ensemble de ces transferts thermiques impactent la stabilisation de la flamme, la formation de polluants et la production de suies elle-même. Il existe donc un couplage complexe entre ces phénomènes et la simulation d'un tel problème multiphysique est aujourd'hui reconnu comme un important défi. Ainsi, l'objectif de cette thèse est de développer une modélisation multiphysique permettant la simulation de flammes suitées turbulentes avec le rayonnement thermique et les transferts conjugués de chaleur associés aux parois. Les méthodes retenues sont basées sur la Simulation aux Grandes Échelles (LES), une description en taille des suies, des transferts conjugués et un code Monte Carlo pour le rayonnement. La combinaison de telles approches est réalisable grâce aux ressources de calcul aujourd’hui disponibles afin d’obtenir des résultats de référence. Le manuscrit est organisé en trois parties. La première partie se concentre sur le développement d'un modèle détaillé pour la description de la production de suies dans les flammes laminaires. Pour cela, la méthode sectionnelle est retenue ici car elle permet la description de la PSD. La méthode est validée sur des flammes laminaires éthylène/air. Dans la deuxième partie, un formalisme LES spécifique à la méthode sectionnelle est développé et utilisé pour étudier deux flammes turbulentes : une flamme jet non-prémélangée et une flamme swirlée pressurisée confinée. Les champs de température et de fraction volumique de suies sont comparés aux données expérimentales. De bonnes prédictions sont obtenues et l’évolution des particules de suies dans de telles flammes est analysée à travers l'étude de l’évolution de leur PSD. Dans ces premières simulations, les pertes de chaleur aux parois reposent sur des mesures expérimentales de la température aux parois, et un modèle de rayonnement simple. Dans la troisième partie, une approche Monte Carlo permettant de résoudre l'équation de transfert radiatif avec des propriétés radiatives détaillées des phases gazeuse et solide est utilisée et couplée au solveur LES. Cette approche est appliquée à l'étude de la flamme jet turbulente. La prédiction des flux thermiques est comparée aux données expérimentales et la nature des transferts radiatifs est étudiée. Ensuite, une modélisation couplée de la combustion turbulente prenant en compte la production de suies, les transferts conjugués de chaleur et le rayonnement thermique est proposée en couplant les trois codes dédiés. Cette stratégie est appliquée pour la simulation du brûleur pressurisé confiné. L'approche proposée permet à la fois de prédire la température des parois et la bonne stabilisation de la flamme. Les processus de formation de suies se révèlent être affectés par la modélisation des transferts thermiques. Ceci souligne l’importance d’une description précise de ces transferts thermiques dans les développements futurs de modèles de production de suies et leur validation. / Numerical simulations are used by engineers to design robust and clean industrial combustors. Among pollutants, soot control is an urgent societal issue and a political-industrial priority, due to its harmful impact on health and environment. Soot particles size plays an important role in its negative effect. It is therefore important to predict not only the total mass or number of emitted particles, but also their population distribution as a function of their size. In addition, soot particles can play an important role in thermal radiation. In confined configurations, controlling heat transfer related to combustion is a key issue to increase the robustness and the life cycle of combustors by avoiding wall damages. In order to correctly determine these heat losses, radiative and wall convective heat fluxes must be accounted for. They depend on the wall temperature, which is controlled by the conjugate heat transfer between the fluid and solid domains. Heat transfer impacts the flame stabilization, pollutants formation and soot production itself. Therefore, a complex coupling exists between these phenomena and the simulation of such a multi-physics problem is today recognized as an extreme challenge in combustion, especially in a turbulent flow, which is the case of most industrial combustors. Thus, the objective of this thesis is to develop a multi-physics modeling enabling the simulation of turbulent sooting flames including thermal radiation and wall heat transfer. The retained methods based on Large-Eddy Simulation (LES), a soot sectional model, conjugate heat transfer, a Monte Carlo radiation solver are combined to achieve a stateof- the-art framework. The available computational resources make nowadays affordable such simulations that will yield present-day reference results. The manuscript is organized in three parts. The first part focuses on the definition of a detailed model for the description of soot production in laminar flames. For this, the sectional method is retained here since it allows the description of the particle size distribution (PSD). The method is validated on laminar premixed and diffusion ethylene/air flames before analyzing the dynamics of pulsed diffusion flames. In the second part, an LES formalism for the sectional method is developed and used to investigate two different turbulent flames: a non-premixed jet flame and a confined pressurized swirled flame. Predicted temperature and soot volume fraction levels and topologies are compared to experimental data. Good predictions are obtained and the different soot processes in such flames are analyzed through the study of the PSD evolution. In these first simulations, wall heat losses rely on experimental measurements of walls temperature, and a coarse optically-thin radiation model. In the third part, to increase the accuracy of thermal radiation description, a Monte Carlo approach enabling to solve the Radiative Transfer Equation with detailed radiative properties of gaseous and soot phases is used and coupled to the LES solver. This coupled approach is applied for the simulation of the turbulent jet flame. Quality of radiative fluxes prediction in this flame is quantified and the nature of radiative transfers is studied. Then, a whole coupled modeling of turbulent combustion accounting for soot, conjugate heat transfer and thermal radiation is proposed by coupling three dedicated codes. This strategy is applied for a high-fidelity simulation of the confined pressurized burner. By comparing numerical results with experimental data, the proposed approach enables to predict both the wall temperature and the flame stabilization. The different simulations show that soot formation processes are impacted by the heat transfer description: a decrease of the soot volume fraction is observed with increasing heat losses. This highlights the requirement of accurate description of heat transfer for future developments of soot models and their validation.

Les progrès réalisés depuis plusieurs décennies, à la fois en termes de connaissances physiques, numériques et de puissance informatique disponible, permettent de traiter des simulations de plus en plus complexes. Les modélisations d'écoulements fluviaux et maritimes n'échappent pas à cette tendance. Ainsi, pour de très nombreuses applications de ce type, les modélisateurs doivent mettre en œuvre de véritables "systèmes de modélisation", couplant entre eux plusieurs modèles et logiciels, représentant différentes parties du système physique. La mise en place de tels systèmes permet de traiter de nombreuses études, comme par exemple les impacts de construction d'ouvrages d'art ou industriels, ou encore l'évaluation des aléas suite à un événement exceptionnel, etc.Dans le cadre de cette thèse, nous abordons cette problématique en utilisant une méthodologie de type Schwarz, empruntée à la théorie de décomposition de domaine, dont le principe est de ramener la résolution d'un problème complexe à celle de plusieurs sous-problèmes plus simples, grâce à un algorithme itératif. Ces méthodologies sont particulièrement bien adaptées au couplage de codes industriels puisqu'elles sont très peu intrusives.Cette thèse, réalisée dans le cadre d'un contrat CIFRE et grâce au financement du projet européen CRISMA, a été fortement ancrée dans un contexte industriel. Elle a été réalisée au sein d'Artelia en collaboration avec l'équipe AIRSEA du Laboratoire Jean Kuntzmann, avec pour objectif principal de transférer vers Artelia des connaissances et du savoir-faire concernant les méthodologies de couplage de modèles.Nous développons, dans le cadre de cette thèse, une méthodologie de couplage multi-modèles et de dimensions hétérogènes basée sur les méthodes de Schwarz, afin de permettre la modélisation de problématiques complexes dans des cas opérationnels (en complexifiant les problématiques étudiées au fur et à mesure de la thèse). Du point de vue industriel, les couplages mis en place sont fortement contraints par les logiciels utilisés répondant aux besoins d'Artelia (Telemac-3D, Mascaret, InterFOAM, Open-PALM).Nous étudions tout d'abord un couplage 1-D/3-D résolvant des écoulements à surface libre sous un même système de logiciel Telemac-Mascaret. L'avantage d'un tel couplage est une réduction de coût grâce à l'utilisation du modèle 1-D. Toutefois l’une des difficultés liées au changement de dimension réside dans la définition même de la notion de couplage entre des modèles de dimensions différentes. Ceci conduit à une solution couplée qui n’est pas définie d’une façon unique et qui dépend du choix des opérateurs d’interfaces.Puis nous nous intéressons au couplage monophasique/diphasique (1-D/3-D et 3-D/3-D) entre le système de logiciel Telemac-Mascaret et InterFOAM (modèle diphasique VOF), où la difficulté du choix des opérateurs d'interface lors du changement de physique (monophasique/diphasique) est aussi présente. Ce couplage a pour avantage de rendre possible la résolution d’écoulements complexes, que le système Telemac-Mascaret ne peut pas simuler (déferlement, lame d'eau, écoulement en charge, etc.) en utilisant localement InterFOAM avec son coût de calcul très important. Enfin, nous étudions l’application du couplage monophasique/diphasique sur un cas opérationnel d’étude d’ingénierie.Par ailleurs, les travaux effectués lors du projet CRISMA, pour le développement d'une application permettant de simuler les différents aspects d'une crise liée aux risques de submersions marines en Charente Maritime, coordonnés par Artelia, sont également présentés. Le projet CRISMA a pour objectif d'améliorer l'aide à la décision en se basant sur la simulation pour la gestion opérationnelle des situations de crise dans différents domaines du risque naturel et industriel (inondations, feux de forêt, pollutions accidentelles, etc.). / Progress has been performed for decades, in terms of physical knowledge, numerical techniques and computer power, that allows to address more and more complex simulations. Modelling of river and marine flows is no exception to this rule. For many applications, engineers have now to implement complex "modelling systems", coupling several models and software, representing various parts of the physical system. Such modelling systems allow addressing numerous studies, like quantifying the impacts of industrial constructions or highway structures, or evaluating the consequences of an extreme event.In the framwork of the present thesis, we address model coupling techniques using Schwarz's methodology, which is based on domain decomposition methods. The basic principle is to reduce the resolution of a complex problem into several simpler sub-problems, thanks to an iterative algorithm. These methods are particularly well suited for industrial codes, since they are very few intrusive.This thesis was realized within the framework of a CIFRE contract and thanks to the funding of the European CRISMA project and was thus greatly influenced by this industrial context. It was performed within the Artelia company, in collaboration with the AIRSEA team of the Jean Kuntzmann Laboratory, with the main objective of transferring to Artelia some knowledge and expertise regarding coupling methodologies.In this thesis, we develop a methodology for multi-model coupling with heterogeneous dimensions, based on Schwarz's methods, in order to allow modelling of complex problems in operational cases. From the industrial viewpoint, the developed coupled models must use software meeting Artelia's needs (Telemac-3D, Mascaret, InterFOAM, Open-PALM).We firstly study a testcase coupling 1-D and 3-D free surface flows, using the same software system Telemac-Mascaret. The advantage of such coupling is a reduction of the computation cost, thanks to the use of a 1-D model. However the change in the model dimension makes it difficult to define properly the notion of coupling, leading to a coupled solution which is not defined in a unique way but depends on the choice of the interface operators.Then we study a coupling case between a monophasic model and a diphasic model (1-D/3-D and 3-D/3-D), using Telemac-Mascaret and InterFOAM software systems. Once again, the main difficulty lies in the definition of interfaces operators, due to the change in the physics (monophasic / diphasic). Such a coupling makes it possible to solve complex flows that the Telemac-Mascaret system alone cannot address (breaking waves, water blade, closed-conduit flow, etc.), by locally using InterFOAM where necessary (InterFOAM is very expensive in terms of computations). Finally, we implement such a monophasic/diphasic coupling on an operational engineering study.In addition, we also present the work done during the CRISMA project. The overall objective of the CRISMA project was to develop a simulation-based decision support system for the operational crisis management in different domains of natural or industrial risks (floods, forest fires, accidental pollution, etc.). In this context, Artelia coordinated the development of an application allowing to simulate various aspects of crisis linked to flood risks in Charente-Maritime.

Le travail de cette thèse porte sur le développement de modèles neutroniques innovants pour le couplage avec la thermohydraulique, associant précision et temps de calcul raisonnable. Un des cas d'application principaux étant le réacteur à sel fondu, à spectre neutronique rapide et en cycle thorium MSFR (Molten Salt Fast Reactor), réacteur de 4ème génération à combustible liquide circulant, la prise en compte du mouvement des précurseurs de neutrons retardés et des phénomènes associés est nécessaire. Les études de conception de ce type de réacteur ont été le point de départ de ces développements, via le besoin d'une représentation multiphysique adaptée pour l'obtention d'une image globale et la réalisation d'études de transitoire.Dans un premier temps un couplage stationnaire a été développé, associant un modèle neutronique basé sur une approche stochastique, et un code de CFD (Computational Fluid Dynamics) résolvant les équations de Navier Stokes des écoulements turbulents ainsi que le transport des précurseurs de neutrons retardés. Ce modèle neutronique intègre l'effet lié au transport de ces précurseurs par une reconstruction de la gerbe prompte qu'ils génèrent. Cette approche dite par gerbe considère le réacteur critique comme un système sous-critique prompt amplifiant la source de neutrons retardés.Dans un second temps, un modèle neutronique basé sur une version temporelle des matrices de fission (Transient Fission Matrix ou TFM) a été développé afin de réaliser des études de transitoires. Le modèle TFM permet, en un premier calcul des matrices avec un code stochastique (MCNP, SERPENT), de réaliser une caractérisation de l'ensemble de la réponse neutronique spatiale et temporelle du réacteur avec une précision proche de celle du calcul Monte Carlo. Dans un second temps cette information est utilisée pour les calculs de transitoires tout en gardant un temps de calcul réduit. Le modèle TFM, utilisable pour différents types de systèmes, permet également le calcul de paramètres cinétiques effectifs tels que la fraction effective de neutrons retardés ou le temps de génération effectif. Différents cas d'application ont été utilisés afin de vérifier et d'illustrer cette approche sur des calculs temporels ou de paramètres cinétiques.Enfin le modèle TFM a été implémenté dans le code de thermohydraulique OpenFOAM. Ce couplage a été testé sur un benchmark numérique à géométrie simplifiée, puis des calculs sur le MSFR ont été réalisés, pour des transitoires normaux (suivis de charge) ou accidentels (insertions de réactivité, sur-refroidissements). / In this PhD thesis, we describe the development of innovative neutronic models for their coupling with thermalhydraulics such that they combine precision and reasonable computational times. One of the main cases where this method is applied is the Molten Salt Fast Reactor (MSFR) whose combines a fast neutron spectrum with a thorium cycle. In this fourth generation reactor, the motion of the delayed neutron precursors and the associated phenomena have to be taken into account due to the liquid fuel circulation. The starting point for these developments was the preliminary design of this type of system where a dedicated multi-physical representation was needed to study the reactor performance in steady and transient conditions.As a first step, a stationary coupling was developed. A neutronic model based on a stochastic approach was associated to a CFD (Computational Fluid Dynamics) code to solve the Navier Stokes equations for turbulent flows and the transport of the delayed neutron precursors. The impact of this precursor motion is taken into account by reconstructing the prompt shower that they generate. This approach, called by shower, views the critical reactor as a prompt subcritical reactor that amplifies a source of delayed neutrons.A second step consisted in developing a neutronic model based on a time dependent version of the fission matrices (Transient Fission Matrix or TFM) so as to enable reactor transient studies. With the TFM model, an initial computation of the matrices with a stochastic code (MCNP, SERPENT) allows the characterization of the global spatial and time dependent neutronic response of the reactor with a precision close to that of a Monte Carlo calculation. The information thus obtained is then used to calculate transients, while retaining the advantage of reduced computational time. The TFM model, which can be used for various system concepts, also allows the evaluation of effective kinetic parameters such as the effective fraction of delayed neutrons or the effective generation time. The method was applied to various cases in order to verify it and demonstrate the approach for time dependent or kinetic parameter calculations.Finally, the TFM model was integrated in the OpenFOAM thermalhydraulic code. The coupling was first tested on a simple geometry numerical benchmark. Subsequently, it was applied to the MSFR to calculate normal (load-following) and accidental (reactivity insertion, over-cooling) transients.

Durant les dernières décennies, l’évolution de la puissance de calcul a conduit au développement de codes de simulation en physique des réacteurs de plus en plus prédictifs pour la modélisation du comportement d’un réacteur nucléaire en situation de fonctionnement normal et accidentel. Un cadre d’analyse d’incertitudes cohérent avec l’utilisation de modélisations Best Estimate (BE) a été développé. On parle d’approche Best Estimate Plus Uncertain-ties (BEPU) et cette approche donne lieu `a de nombreux travaux de R&D à l’international en simulation numérique. Dans cette thèse, on étudie la quantification d’incertitudes multi-physiques dans le cas d’un transitoire d’ éjection de Grappe de contrôle (REA- Rod Ejection Accident) dans un Réacteur à Eau Pressurisée (REP). La modélisation BE actuellement disponible au CEA est réalisée en couplant les codes APOLLO3 R (netronique) et FLICA4 (thermohydraulique-thermique du combustible) dans l’environnement SALOME/CORPUS. Dans la première partie de la thèse, on examine différents outils statistiques disponibles dans la littérature scientifique dont la réduction de dimension, l’analyse de sensibilité globale, des modèles de substitution et la construction de plans d’expérience. On utilise ces outils pour développer une méthodologie de quantification d’incertitudes. Dans la deuxième partie de la thèse, on améliore la modélisation du comportement du combustible. Un couplage Best Effort pour la simulation d’un transitoire REA est disponible au CEA. Il comprend le code ALCYONE V1.4 qui permet une modélisation fine du comportement thermomécanique du combustible. Cependant, l’utilisation d’une telle modélisation conduit à une augmentation significative du temps de calcul ce qui rend actuellement difficile la réalisation d’une analyse d’incertitudes. Pour cela, une méthodologie de calibrage d’un modèle analytique simplifié pour le transfert de chaleur pastille-gaine basé sur des calculs ALCYONE V1.4 découplés a été développée. Le modèle calibré est finalement intégré dans la modélisation BE pour améliorer sa prédictivité. Ces deux méthodologies sont maquettées initialement sur un cœur de petite échelle représentatif d’un REP puis appliquées sur un cœur REP à l’échelle 1 dans le cadre d’une analyse multi-physique d’un transitoire REA. / The computational advancements of the last decades lead to the development of numerical codes for simulating the reactor physics with increa-sing predictivity allowing the modeling of the beha-vior of a nuclear reactor under both normal and acci-dental conditions. An uncertainty analysis framework consistent with Best Estimate (BE) codes was develo-ped in order to take into account the different sources of uncertainties. This framework is called Best Esti-mate Plus Uncertainties (BEPU) and is currently a field of increasing research internationally. In this the-sis we study the multi-physics uncertainty quantifi-cation for Rod Ejection Accident (REA) in Pressuri-zed Water Reactors (PWR). The BE modeling avai-lable in CEA is used with a coupling of APOLLO3 (neutronics) and FLICA4 (thermal-hydraulics and fuel-thermal) in the framework of SALOME/CORPUS tool. In the first part of the thesis, we explore different statistical tools available in the scientific literature including: dimension reduction, global sensitivity analy-sis, surrogate modeling and design of experiments. We then use them in order to develop an uncer-tainty quantification methodology. In the second part of the thesis, we improve the BE modeling in terms of its uncertainty representation. A Best Effort coupling scheme for REA analysis is available at CEA. This in-cludes ALCYONE V1.4 code for a detailed modeling of fuel-thermomechanics behavior. However, the use of such modeling increases significantly the compu-tational cost for a REA transient rendering the uncer-tainty analysis prohibited. To this purpose, we deve-lop a methodology for calibrating a simplified analytic gap heat transfer model using decoupled ALCYONE V1.4 REA calculations. The calibrated model is finally used to improve the previous BE modeling. Both de-veloped methodologies are tested initially on a small scale core representative of a PWR and then applied on a large scale PWR core.

Ces travaux de thèse portent sur le développement de nouveaux systèmes piézoélectriques récupérateurs d’énergie à partir de vibrations mécaniques environnementales. L’objectif recherché est d’apporter des solutions à certaines contraintes fortes liées à la miniaturisation de ces systèmes, en vue de leur intégration en technologie MEMS. Les 2 axes majeurs suivis lors de ces travaux sont :(i) la nanostructuration par porosification du substrat silicium. Ce procédé permet de créer des zones fonctionnalisées possédant des propriétés locales de masse volumique et de rigidité plus faibles que celles du substrat silicium. Ceci permet d’une part d’améliorer le coefficient de couplage électromécanique global de la structure et, d’autre part, de maintenir la fréquence de résonance du mode fonctionnel dans une gamme fréquentielle basse (< que 1KHz) compatible avec le spectre de nombreuses sources vibratoires usuelles. Une série de modélisation par éléments finis d’un convertisseur type (poutre avec masse sismique) a établi les paramètres dimensionnels optimaux de la zone nanostructurée. L’efficacité de ce procédé de nanostructuration localisée a ensuite été évaluée expérimentalement sur des membranes en silicium. Il a été observé une réduction de la fréquence de résonance du mode fondamental, tout en minimisant les pertes par un choix judicieux de l’emplacement et de la largeur de la zone poreuse. (ii) Le développement de dispositifs récupérateurs à sensibilité multidirectionnelle. Ces dispositifs permettent de récupérer l’énergie quel que soit la direction de la sollicitation externe. Ils exploitent 3 modes propres distincts de flexion sollicités chacun par une composante particulière (ax, ay ou az) du vecteur accélération caractéristique de la sollicitation. Ces dispositifs basés sur une structure planaire de type double poutres orthogonales avec masse sismique centrale sont facilement intégrables et peuvent être déclinés de l’échelle centimétrique à l’échelle millimétrique en utilisant dans ce cas les technologies de type MEMS. Un modèle analytique simple a d’abord mis à jour les mécanismes énergétiques qui permettent d’obtenir une quantité d’énergie constante lorsque le dispositif est soumis à un vecteur sollicitation de direction quelconque. L’optimisation du coefficient de couplage électromécanique de chaque mode fonctionnel, ainsi que l’ajustement de leur fréquence de résonance ont été obtenu à l’aide d’un modèle à éléments finis. L’ensemble de ces résultats théoriques a été expérimentalement validé à l’aide de prototypes centimétriques. / This thesis work focuses on the development of new piezoelectric energy recovery systems from environmental mechanical vibration. The goal is to provide solutions to some strong constraints on the miniaturization of these systems, their integration in MEMS technology. The 2 major lines followed in this work are: (i) the nanostructuring by porosification silicon substrate. This method allows to create functionalized areas having local properties of density and lower rigidity than those of the silicon substrate. This allows on the one hand to improve the overall electromechanical coupling coefficient of the structure and, secondly, to maintain the resonant frequency of the operational mode in a low frequency range (< 1KHz) compatible with the spectrum of Many conventional vibratory sources. A series of finite element modeling of a type converter (beam with seismic mass) established the optimum dimensional parameters of nanostructured area. The effectiveness of this localized nanostructuring method was then evaluated experimentally on silicon membranes. It was observed a reduction of the resonance frequency of the fundamental mode, while minimizing losses by a judicious choice of the location and the width of the porous zone. (Ii) The development of recovery devices multidirectional sensitivity. These devices allow to recover energy regardless of the direction of the external load. They use 3 different eigenmodes bending each solicited by a particular component (ax, ay and az) vector solicitation characteristic acceleration. These devices based on a planar structure type double orthogonal beams with central seismic mass can be easily integrated and can be broken down to centimeter scale at the millimeter scale using in this case the MEMS technologies. A simple analytical model was first updated energy mechanisms that enable a constant amount of energy when the device is subjected to a bias vector in any direction. The optimization of the electromechanical coupling coefficient of each functional mode, and the adjustment of their resonance frequency were obtained using a finite element model. All these theoretical results has been experimentally validated using centimeter prototypes.

Les conducteurs mixtes (MIECs) sont des matériaux prometteurs pour la réalisation de membranes séparatrices de l’oxygène de l’air à haute température. Cette séparation s’effectue par semi-Perméation de l’oxygène à travers la membrane. Ce phénomène induit un gradient de potentiel chimique à l’origine de la rupture de certaines membranes. La prévision des gradients en service et la connaissance des propriétés mécaniques sont essentielles pour la prévision de la fiabilité des futurs sites de production. La semi-Perméation suit la théorie de Wagner en volume, mais aucun consensus n'excite pour les échanges en surface. En outre, les modèles d’échanges en surface décrivent l'état stationnaire, et ne peuvent être étendus au régime transitoire. Dans cette thèse, un nouveau modèle d'échange de surface est proposé. Il prend en compte l'association / dissociation de l'oxygène et le coût énergétique élevé de réduction / oxydation de l’oxygène par l’introduction de la conservation d’une espèce chimique transitoire seulement présente à la surface. Ce modèle permet de reproduire les états stationnaires et transitoires. En parallèle, un dispositif expérimental de caractérisation des propriétés mécaniques des MIECs a été développé à 900°C. L’essai mis en place est un essai « pseudo brésilien » instrumenté par une mesure optique. Le post-Traitement s’effectue par une méthode « Integrated Digital Image Correlation ». Les propriétés élastiques de sept nuances de conducteurs mixtes ont pu ainsi être caractérisées. / Mixed Conductors (MIECs) are promising membrane materials for oxygen separating from air at high temperature. The oxygen semi-Permeation is the most important property of the membrane. This property induces a chemical potential gradient, which is the origin of some membrane ruptures. Forecasting gradients in service and the knowledge of MIECs mechanical properties are necessary for predict the reliability of future power plants. While the diffusion is well described by the Wagner theory, no consensus has yet emerged regarding the surface exchange models proposed in the literature. Furthermore, these models describe the stationary state, and cannot be extended to the transient stage. In this thesis, a new surface exchange model is proposed. This model takes into account the association/dissociation of oxygen and the high energetic cost of oxygen reduction/oxidation thanks to the balance of a transient species only present at the surface. This model can reproduce stationary state and transient stage. In parallel, a test device for characterizing the mechanical properties of the MIECs has been developed at 900 ° C. The test is “pseudo-Brazilian test” instrumented by an optical measurement. Post-Processing is carried out by a "Integrated Digital Image Correlation" method. The elastic properties of seven mixed conductors have been characterized.