In the past years, more concerns are focused on the nuclear waste management due to the very long half-lives of various actinides produced in Light Water Reactors (LWRs). Sodium Fast Reactors (SFRs) are thus becoming more attractive since they are known to be very efficient to transmute long-lived radionuclides present in spent fuel. However, the current simulation tools (thermal-hydraulics code with point kinetics) and safety assessment methods are not as mature as for LWR applications and need to be enhanced. This thesis aims at filling the gap in safety analysis of SFR cores to reach a standard similar to LWR applications by applying multi-physics modelling. In contrast to LWRs, the reactivity in SFRs is affected by three main feedback: the Doppler broadening reactivity effect, the sodium density change reactivity effect and the thermal expansion of several mechanical components of the reactor. In this thesis, the thermal-hydraulic system code ATHLET is coupled with the three-dimensional neutron-physics code PARCS for transient analysis. Developed at GRS, ATHLET was recently upgraded for sodium coolant properties. The nodal diffusion codes PARCS, developed at the University of Michigan, can solve the multi-group diffusion equation in hexagonal geometry. While both codes already have the main features to simulate SFRs, the development of models dedicated to the thermal expansion effect of reactivity is necessary. The latter has three main origins i.e. the core axial thermal expansion effect (caused by the fuel and the cladding axial thermal expansion), the core radial thermal expansion effect (caused by the diagrid thermal expansion), the control rod displacement due to the thermal expansion of the Control Rod Drive Lines (CRDLs), the strongback and the reactor vessel. Thus, the three main new developments achieved in the scope of this work are: - Development of a method to generate homogenized multi-energy-group neutron macroscopic cross sections (needed by PARCS) for SFR applications which consider not only the Doppler temperature and sodium density but also the core axial and radial thermal expansion. - Development of a three-dimensional core radial thermal expansion model and its implementation in PARCS. A core axial thermal expansion model has already been developed for PARCS prior to this work. - Development of a module in ATHLET for modelling the control rod displacement as a result of the influence of the reactor structures thermal expansion. The parametrized homogenized multi-energy-group neutron macroscopic cross section libraries for PARCS applications are generated with the Monte Carlo reactor-physics code Serpent. For all materials contained in fuel assemblies, a three-dimensional model is used while the SPH method is applied to materials contained in non-fuel assemblies (e.g. control rods, etc.). The cross section libraries are collapsed into a 12-energy-group structure. Furthermore, a dedicated module was successfully developed and implemented within the core simulator KMACS (developed at GRS). The core radial thermal expansion effect is implemented in PARCS using a coordinate transformation of the diffusion equation from the expanded state to the nominal geometry. The core radial thermal expansion depends on the diagrid temperature. It is calculated by ATHLET and transferred to PARCS by the extended interface between both codes. The modelling of the control rod displacement as a result of the reactor structures thermal expansion is performed by a module linked to ATHLET. The strongback, the reactor vessel and the CRDLs are modelled as heated structures in ATHLET, which calculates their respective temperature. The module can compute the thermal expansion of each structure as well as the total control rod banks displacement. The new techniques are verfied on a selected case study, the ASTRID core design. First, full core criticality simulations are performed with the Monte Carlo reactor-physics code Serpent (considered as reference calculations) and with PARCS. Good agreement between the two codes is achieved in terms of multiplication factors and power distribution. This allows to conclude that the developed method for neutron cross section libraries can be used for SFR applications. The newly implemented core radial expansion model in PARCS is successfully verified on the ASTRID core with the standalone version of PARCS. Then, various transient simulations are performed in order to separately analyse the different contributions to the reactivity by: the Doppler broadening effects, the sodium density change effect, the core radial and axial thermal expansion effect and the control rod displacement effect. It is demonstrated that the core power responses are plausible which allows the conclusion that all the different thermal expansion models are properly implemented. Furthermore, the presented simulations show very different core power responses. It appears that the effect of the sodium density change on reactivity is a parameter that is strongly heterogeneous (depending on the core location). This shows the importance of using a three-dimensional neutron kinetics model rather than a point-kinetic model for transient simulations with thermal-hydraulic codes. Moreover, the time-scale of the various effects are ranging from few seconds to several hundred seconds. While the Doppler broadening, the sodium density change, as well as the core axial and radial thermal expansion effects on reactivity are fast, the thermal expansion of the strongback and the vessel only appears after several hundred seconds. This emphasizes the importance of considering all thermal expansion effects in addition to the usual thermal-hydraulic feedback parameters (e.g. fuel temperature, coolant density etc.) to be able to compute the core behavior realistically.:Contents Abstract II List of Figures VII List of Tables X List of Acronyms XI Acknowledgments XIII 1 Introduction 1.1 Sodium cooled fast reactors 1.1.1 Fast reactor development 1.1.2 Comparison of sodium fast reactor and pressurized water reactor designs 1.1.2.1 Neutron spectrum 1.1.2.2 Breeding 1.1.2.3 Partitioning and Transmutation 1.1.2.4 Control of the reactivity in the core 1.1.2.5 Coolant properties 1.1.2.6 Reactivity feedback 1.1.2.7 Comparison summary 1.2 Objectives and structure of the thesis 1.2.1 Objectives 1.2.2 Structure of the thesis 2 State of the art of Sodium Fast Reactor safety assessment 2.1 Relevant safety events to consider for Sodium Fast Reactors 2.2 Major reactivity feedback mechanisms 2.3 State of the art of safety analysis methods for Sodium Fast Reactor 3 Methods and codes for safety assessment of sodium cooled fast reactors 3.1 Neutronics core calculations 3.1.1 Core calculations with the diffusion code PARCS 3.1.2 Generation of nodal few-group cross sections with the Monte Carlo code Serpent 3.1.3 Core simulator KMACS 3.2 Thermal-hydraulics simulations with the system code ATHLET 3.3 Coupled three-dimensional thermal-hydraulics / neutronics calculations 4 Development of three-dimensional thermal expansion models 4.1 General calculation approach proposed for safety assessment 4.2 Thermal expansion in solids 4.3 Model for generating nodal few-energy-group cross sections for deterministic core analysis 4.3.1 Energy group structure 4.3.2 Full-scale three-dimensional fuel assembly models in Serpent 4.3.3 Two-dimensional non-fuel assembly models in Serpent 4.3.4 Super homogenization method for non-multiplying media 4.3.5 Automated creation of Serpent models for parametrized cross section generation with KMACS 4.4 Core radial thermal expansion effect 4.4.1 Description of the core radial thermal expansion phenomenon 4.4.2 Coordinate transformation of the diffusion equation 4.4.3 Implementation of the coordinates transformation in PARCS 4.4.4 Adapted cross section parametrization scheme for the core radial expansion model 4.4.5 Diagrid model in ATHLET and temperature transfer 4.5 Core axial thermal expansion effect 4.5.1 Description of the core axial thermal expansion phenomenon 4.5.2 Implementation of a core axial thermal expansion model in PARCS 4.5.3 Appropriate cross section parametrization scheme 4.6 Control rod displacement due to reactor structures thermal expansion effects 4.6.1 Modelling scheme 4.6.2 Strongback model in ATHLET 4.6.3 Vessel model in ATHLET 4.6.4 Control rods drive lines ATHLET model 5 Verification on a case study 5.1 Description of the ASTRID reactor 5.2 Full core models 5.2.1 Full core Serpent reference models of the ASTRID core 5.2.2 Three-dimensional neutron kinetics model of ASTRID core in PARCS 5.2.3 Generation of appropriate few-group cross sections 5.2.4 Thermal-hydraulic model in ATHLET and ATHLET-PARCS feedback mapping 5.3 Verfications of the radial core expansion model 5.4 Assessment of the Doppler and sodium density effects 5.4.1 Assessment of the Doppler effect 5.4.2 Assessment of the sodium density effect 6 Coupled three-dimensional thermal-hydraulics/neutron-physics transient simulations with ATHLET-PARCS 6.1 Description of the models and transient simulations 6.2 Simulation 1: Doppler effect 6.2.1 Description 6.2.2 Results 6.3 Simulation 2: Sodium density effect 6.3.1 Description 6.3.2 Results 6.4 Simulation 3: Doppler and sodium density effects 6.4.1 Description 6.4.2 Results 6.5 Simulation 4: Core radial thermal expansion effect 6.5.1 Description 6.5.2 Results 6.6 Simulation 5: Doppler, Sodium density and core radial thermal expansion effects 6.6.1 Description 6.6.2 Results 6.7 Simulation 6: Core axial thermal expansion effect 6.7.1 Description 6.7.2 Results 6.8 Simulation 7: Doppler, Sodium density and core axial thermal expansion effects 6.8.1 Description 6.8.2 Results 6.9 Simulation 8: Doppler effect, Sodium density effect, core radial thermal expansion effect and core axial thermal expansion effect 6.9.1 Description 6.9.2 Results 6.10 Simulation 9: Doppler effect, Sodium density effect, core radial thermal expansion effect, core axial thermal expansion effect and control rod displacement due to reactor structures thermal expansion effect 6.10.1 Description 6.10.2 Results 6.11 Preliminary conclusions of the test calculations 7 Conclusion and outlook for future developments 7.1 Summary and conclusions 7.2 Suggestions for future work Appendices A The Boltzmann equation B Macro-group structure Bibliography

Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la modélisation et l’optimisation de machines électriques pour des applications à entraînement direct. Ils s’inscrivent dans un contexte de réduction de l’utilisation des aimants en terres rares et d’amélioration du rendement énergétique. Un état de l’art des machines électriques est réalisé et l’accent est mis sur les machines à flux radial et axial pour les applications à fort couple et basse vitesse. Une classification est établie visant à identifier les structures intéressantes et innovantes. L’étude de la machine radiale est d’abord réalisée. Une étude comparative de différentes machines issues de l’étude bibliographique est effectuée. Cette étude a permis de choisir une structure originale à bobinage concentré sur dents et aimants en multi-V. Dans le but de calculer les performances du moteur avec un temps de calcul réduit, une modélisation analytique multi-physique de la structure est réalisée. Un premier dimensionnement de la machine a conduit à la définition d’un prototype qui a servi à la validation expérimentale du modèle multi-physique. Une approche de conception par optimisation multi-objectifs est adoptée pour obtenir les machines optimales répondant à un cahier des charges industriel. La suite de l’étude concerne une machine à flux axial à structure innovante. Il s’agit d’une machine à double rotor et simple stator avec plusieurs barrières de flux par pôle. Une étude par éléments finis est d’abord réalisée afin de valider le passage d’un modèle tridimensionnel à modèle bidimensionnel. L’analyse des pertes fer a permis de choisir les matériaux utilisés au stator et aux rotors. L’étape suivante consiste à établir un modèle analytique multiphysique de la machine à flux axial et de l’optimiser selon le même cahier des charges que celui de la machine radiale. Finalement, une comparaison entre les deux structures radiale et axiale est effectuée pour évaluer les avantages en termes de densité de couple. / The work presented in this thesis deals with the modeling and optimization of electrical machines for direct drive applications. The objective is to reduce the use of rare earth permanent magnets along with the improvement of the motor’s efficiency. A state of the art of electrical machines is realized. It focused on radial and axial flow structures for high torque and low speed applications. A classification is established to identify interesting and innovative structures. Firstly, the radial machine is studied. The choice of the structure is made after a finite element comparison of different machines resulting from the literature. This led to an original structure with concentrated winding and multi-V shape barriers. Then, a multi-physics analytical modeling of the structure is detailed in order to calculate the performances with a reduced calculation time. A preliminary design led to the definition of a prototype which was used to experimentally validate the multi-physics model. An optimization design approach is adopted to obtain optimal machines meeting industrial specifications. Secondly, a novel axial flux structure is studied. It is a machine with double rotor and single stator with several barriers per pole. A finite element study is carried out in order to validate the transition from a three dimensional to a two-dimensional model. The analysis of iron losses made it possible to choose the materials used in the stator and the rotors. Then, the development of a multi-physics analytical model for the axial machine is proposed. It is used to optimize the structure according to the same specifications defined for the radial machine. Finally, a comparison between the radial and axial structures is performed in order to evaluate the advantages in terms of torque density.

Procédé de moulage par injection de poudres est constitué de quatre étapes principales: la préparation des matières premières, moulage par injection, le déliantage et le frittage. Cette thèse présente les recherches sur deux aspects principaux: la micro-injection et frittage par micro -ondes. Les contributions principaux peuvent être conclues dans les quatre aspects suivants: Modification et complément de l'algorithme précédent pour la simulation du procédé de moulage par injection; L'évaluation et la mise en œuvre de l'effet de tension de surface en simulation pour micro-injection; Micro-ondes expériences de frittage de compacts basés sur l'acier inoxydable 17-4PH; Réalisation de la simulation de frittage à micro-ondes avec couplage de la multi-physique, y compris le chauffage à micro-ondes classique, le transfert de chaleur, et le supplément de modèle pour la densification de frittage de la poudre compacté / Powder Injection molding process consists off our main stages: feedstock preparation, injection molding, debinding and sintering. The thesis presents the research on two main aspects: micro injectionmolding and microwave sintering. The main contributions can be concluded in thefollowing four aspects: Modification and supplement of previous algorithm for the simulation ofinjection molding process; Evaluation and implementation of surface tension effect in simulation for micro injection; Microwave sintering experiments of compacts based on 17-4PH stainles ssteel; Realization of the microwave sintering simulation with the coupling of multi-physics,including the classic microwave heating, heat transfer, and the supplement of model for sintering densification of powder impacts

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.

Le taux de déformation des matériaux est élevé pendant le soudage / formage à grande vitesse, le découpage, le sertissage, etc. Les propriétés des matériaux sous déformation à grande vitesse ne suivent pas la même loi que dans le cas de chargement quasi statiques. La caractérisation des matériaux à taux de déformation important est assez difficile et nécessite des équipements sophistiqués. Grâce au développement de la technologie de formage électromagnétique, le test d'expansion d'anneau électromagnétique présente un grand potentiel à utiliser pour caractériser les matériaux à haute vitesse de déformation. Pendant le test d’expansion de l’anneau électromagnétique, la pièce à usiner peut atteindre une vitesse d’expansion de l’ordre de 100m/s et une vitesse de déformation de 104 s-1. Par conséquent, ce test peut être utilisé pour prédire les paramètres du matériau, tels que la dureté et la ductilité à déformation à grande vitesse. Pour d’atteindre cet objectif, un modèle approprié décrivant le processus est nécessaire. Ce modèle doit contenir un couplage électromagnétique-mécanique-thermique pour bien décrire le problème multi-physique. Il existe deux méthodes principales de modélisation dans la littérature, viz. Les méthodes semi-analytiques et les méthodes des éléments finis (parfois combinées avec la méthode des éléments limitants). Les méthodes semi-analytiques nécessitent un temps de calcul court mais offrent une faible précision par rapport aux méthodes des éléments finis. Cependant, en raison de la complexité du couplage multi-physique, l’erreur de calcul est difficile à estimer. De plus, les déformations hétérogènes ainsi que les états de contrainte compliqués peuvent influencer l’identification. Dans ce sens, cette thèse s’est principalement concentrée sur les méthodes d’analyse et de modélisation du test d’expansion d’anneau électromagnétique, incluant les comportements locaux et les phénomènes dynamiques à l’aide des outils expérimentaux et numériques. Par ailleurs, cette thèse comprend aussi le développement d’un méthode semi-analytique permettant le couplage multi-physique, ce qui a été validé par un modèle numérique idéal et par des tests expérimentaux. Les résultats expérimentaux ont été obtenus à l’aide d’une caméra à grande vitesse et du vélocimétrie photovoltaïque Doppler (PDV) pour différents cas tests. Ils ont été utilisés pour déterminer les paramètres du processus et du matériau à l’aide des modèles numériques. Les modèles adaptés pour analyser les états de contrainte et de déformation durant le test d’expansion d’anneau montrent que ce dernier n’est pas un test de traction uniaxial pur comme revendiqué par les chercheurs. En outre, le phénomène de vibration qui se produise de la récupération élastique a été étudié par simulations multi-physiques et par systèmes PDV. Cette étude de récupération élastique permet de mieux comprendre les paramètres influençant du test, ce qui pourrait être utilisé pour contrôler le rebond dans d’autres processus électromagnétique. La méthode de modélisation semi-analytique pour le test d’expansion de l’anneau électromagnétique, qui comprend quatre parties de calcul (partie mécanique, thermique, force de Lorentz et courant de Foucault), a été analysée à l’aide de simulations numériques. Les résultats obtenus ressemblent étroitement aux résultats obtenus par un test idéal et un test expérimental. L’analyse d’erreur des différents aspects physiques permet d’améliorer la précision de calcul semi-analytique, ce qui pourrait être utilisé comme outil supplémentaire d’obtention rapide des paramètres de contrôle dans les tests. Il pourrait aussi être utilisé pour l’identification des paramètres des matériels à déformation à grande vitesse. / High stain rate material deformations are prevalent during high speed impacts, high speed forming/welding, cutting, crimping, blast etc. Characteristics of materials under high strain rate deformation do not follow the same as it occurs under the quasi-static loading conditions. However, characterization of materials under high strain rate deformation is always challenging and it requires sophisticated equipment. Thanks to the development in electromagnetic forming technology, the electromagnetic ring expansion test shows a great potential to be used to characterize materials under high strain rate conditions. During the electromagnetic ring expansion test, the workpiece can reach deformation velocities in the order of 100 m/s and a strain rate of up to 104 s-1. Consequently, this test can be used to predict the material parameters such as the strain rate hardening and ductility under extremely high strain rates (strain rates in the order of 103 – 104 s-1). In order to achieve this goal, an appropriate model is required to describe the process. The model should contain an electromagnetic-mechanical-thermal coupling to obtain the accurate multi-physics nature of the problem. There exist two main modeling methods in literature, viz., the semi-analytical methods and finite element methods (sometime combined with boundary element method). Normally, the semi-analytical methods require short calculation time while it provides lower accuracy in comparison with finite element methods. However, due to the complexity of multi-physics coupling, the calculation error is difficult to be analyzed. Moreover, errors in calculation and identification assumptions may also result from heterogeneous deformations or localized specific phenomena (such as local necking at multi points or electric current localization, skin effect, edge effect of Lorentz force etc.) that could influence identification work as well as stress and strain states. Therefore, this thesis mainly focused on the analysis and modeling methods of ring expansion test including local behaviors and dynamic phenomena with the help of experimental and numerical tools. Moreover, this thesis also includes a development of a semi-analytical method with multi-physics coupling capabilities, which has been validated using a theoretical model and experimental frameworks. Experimental measurements were obtained using high-speed cameras and photonic Doppler velocimetry (PDV) for various test cases are used together with numerical models to investigate the process and material parameters. The models used to analyze the stress and stain states during a ring expansion test show that the ring expansion test is not a pure uniaxial tensile test as claimed by researchers. Besides, another potential process behavior, the vibration phenomena that occurs during the elastic recovery was investigated using multi-physics simulations and PDV systems. This investigation of the elastic recovery helps to understand the potential influencing parameters of the test those are applicable and could be used to control the springback phenomenon during other electromagnetic forming processes. The semi-analytical modeling method for ring expansion test including four calculation parts (mechanical part, eddy current, Lorentz force calculation, thermal part) were analyzed with the help of numerical simulations. The results obtained from analytical work closely resemble with the numerical simulations for both theoretical model and an experimental case study. The error analysis of various physical aspects allows improving the accuracy of semi-analytical calculation that could be used as an additional platform to obtain rapid calculation of the test conditions. This semi-analytical method could be extended in the future to identify material parameters under high strain rate deformations.

L’utilisation des matériaux composites devient de plus en plus importante dans les structures aéronautiques de nouvelle génération. Le gain de masse engendré, et donc de carburant, pousse les constructeurs aéronautiques à les employer de façon optimale. Néanmoins, ces matériaux se dégradent rapidement lorsqu’ils sont soumis à des flux de chaleur importants, entraînant une perte de leur résistance mécanique. Ce problème peut être dramatique pour la sécurité des passagers car la tenue de ces nouvelles structures peut ne plus être assurée dans le cas d’un incendie. Les méthodes actuelles de certification de la tenue au feu des matériaux composites aéronautiques reposent principalement sur l’utilisation de moyens expérimentaux, dont les résultats ne sont représentatifs que des conditions particulières dans lesquelles les essais ont été réalisés. La compréhension des différents phénomènes thermiques, chimiques et mécaniques intervenant lors de la dégradation de ces matériaux, avec l’appui de simulations numériques et d’expériences, peut permettre d’améliorer les méthodes existantes et donc d’optimiser les futures structures aéronautiques dès la phase de conception.Cette étude s’est attachée à développer et valider un modèle thermo-chimique de dégradation des matériaux composites multi-dimensionnel et multi-constituants. Ce modèle permet de traiter des cinétiques de dégradation complexes suivant plusieurs réactions de décompositions et de prendre en compte le transport des gaz produits depuis leur formation jusqu’à leur évacuation hors du matériau. L’utilisation de lois d’homogénéisation avancées est proposée afin de rendre compte des effets des transformations sur les transferts de chaleur et de masse se produisant au sein du matériau. L’application du modèle thermo-chimique à un cas de dégradation sous flux thermique connu mais non-uniforme dans un environnement contrôlé permet de confronter les résultats de simulation aux mesures expérimentales et ainsi de valider l’approche multi-constituants adoptée. Enfin, l’étude numérique de la dégradation d’un composite soumis à une flamme met en avant l’effet des gaz de décomposition éjectés à l’interface sur le flux thermique pariétal échangé. / Composite materials are increasingly used in new generation aircraft structures. Mass and as a consequence fuel savingsencourage aircraft manufacturers to use them optimally. However, these materials can degrade quickly when exposed tosignificant heat fluxes, resulting in a loss of mechanical strength. This problem can be dramatic for passenger safety asmechanical resistance of such innovative structures can not be ensured in case of fire events. Current certification methodsof fire resistance of aeronautical composite materials are mainly based on experiments, that are only representative of thespecific conditions under which they were carried out. The understanding of thermal, chemical and mechanical phenomenaoccurring during the decomposition of these materials, with the support of numerical simulations and experiments, can helpimproving existing methods and optimizing the future aeronautical structures from the design chain. This study deals withthe development and validation of a multi-components and multi-dimensional thermo-chemical model of decomposing compositematerials. It can deal with complex degradations following several decomposition reactions as well as transport ofpyrolysis gases from their formation up to their ejection out of the material. The use of advanced homogenization laws isproposed to account for the chemical transformations on heat and mass transfers occurring in the material. The applicationof the thermo-chemical model to a laser degradation study under known but non-uniform heat flux in a controlled environmentallows to confront the simulation results with experimental measurements and thus validate the multi-componentsapproach. Finally, the numerical analysis of a decomposing composite material submitted to a flame highlights the effectof emitted decomposition gases on the exchanged parietal heat flux.

L'objectif principal de cette thèse est l'évaluation de la technologie de chauffage par micro-ondes et son applicabilité dans l'étape de densification, dans le cadre d’un procédé de recyclage des déchets nucléaires à très longue vie et ensuite le suivi du procédé de frittage de l'oxyde de cérium, simulant de l’oxyde de plutonium. Dans ce travail, nous avons développé un système permettant de déterminer les propriétés diélectriques de l'oxyde de cérium et avons fait une étude comparative entre le frittage par chauffage micro-ondes dans une cavité monomode et le frittage conventionnel dans un dilatomètre classique pour deux poudres de cérine: l’une de taille micrométrique, la seconde de taille nanométrique. En outre, nous avons effectué des simulations numériques sur la base d’un modèle couplant électromagnétisme et transfert de chaleur. Ces travaux ont montré l’effet de la taille d’une particule sphérique modèle sur le champ électrique (E) dans la particule et autour d’elle. Dans le cadre d’empilements modèles, nous avons montré que la présence d’un cou entre ces particules, leur orientation par rapport au champ E et le nombre de particules constitutives de cet empilement jouent un rôle déterminant sur l’intensité du champ E, ce qui a des conséquences sur le chauffage des particules. / The main objective of this thesis is the evaluation of the heating by microwave technology and its applicability in the densification step, as a part of nuclear long life wastes recycling process and then the following up of the sintering of cerium oxide, a non-radioactive simulant of plutonium oxide. In this work, we developed a system for determining the dielectric properties of cerium oxide and made a comparative study between the sintering by microwave heating in a single-mode cavity and the conventional sintering in a dilatometer for two different powders of ceria: the first one has a micrometric particle size and the second has a nanometric one. In addition, we performed several numerical simulations on the basis of a model coupling electromagnetics and heat transfer. In these works, we have shown the effect of the size of a spherical model particle on the electric field (E) inside and around the particle. In the framework of a packing model of particles, the presence of a neck between these particles, their orientation relative to E field, and the number of these particles showed a decisive role in the intensity of the E field which has a direct impact on the heating of the particles.

Ce travail de thèse s’inscrit dans la cadre d’un projet ANR inter-Carnot « ReMaPoDe (Reliability Management of Power Devices) ». L’objectif général du projet est de réaliser un dispositif permettant d’évaluer en temps réel l’état de vieillissement d’un assemblage de puissance embarqué par le suivi de son état thermique et mécanique pendant son fonctionnement. L’essentiel du travail présenté dans ce mémoire consiste à mettre en évidence la relation entre le vieillissement mécanique d’un assemblage de puissance et les dérives électriques qui peuvent être observées. En outre, compte tenu des problèmes thermiques liés aux applications embarquées, la caractéristique électrique choisie comme indicateur doit être rendue indépendante des effets de la température. Ainsi, après un état de l’art consacré à la présentation des différents types de vieillissement et aux défaillances rencontrées dans les assemblages de puissance, nous distinguerons différentes caractéristiques électriques qui semblent prometteuses pour effectuer le suivi en temps réel de l’état de vieillissement mécanique d’un assemblage de puissance et ce malgré des variations de température ambiante et le vieillissement de certains matériaux constituant l’assemblage / This work is part of an inter-Carnot ANR project "ReMaPoDe (Reliability Management of Power Devices)." The overall project objective is to provide a device to evaluate the real-time status of ageing of a power assembly by monitoring its thermal and mechanical states during operation. Most of the work presented in this thesis consists in highlighting the relationship between the assembly mechanical ageing and the observed electrical evolution. Moreover, due to the thermal problems related to embedded applications, the electrical characteristic chosen as an indicator must allowed to overcome the effects of temperature. Consequently, following a state of the art dedicated to the presentation of different types of ageing and failures encountered in power assemblies, we will distinguish different electrical characteristics that seem promising to monitor in real time the mechanical ageing state of a power device assembly in spite of ambient temperature variations and the ageing of some materials constituting the assembly

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