Le procédé de craquage thermique est un procédé industriel sensible aux conditions de température et de pression. L’utilisation de réacteurs aux parois nervurées est une méthode permettant d’améliorer la sélectivité chimique du procédé en augmentant considérablement les transferts de chaleur. Cependant, cette méthode induit une augmentation des pertes de charge dans le réacteur, ce qui est dommageable pour le rendement chimique et doit être quantifié. En raison de la complexité de l’écoulement turbulent et de la cinétique chimique, le gain réel offert par ces géométries en termes de sélectivité chimique est toutefois mal connu et difficile à estimer, d’autant plus que des mesures expérimentales détaillées sont très rares et difficiles à mener. L’objectif de ce travail est double: d’une part évaluer le gain réel des parois nervurées sur le rendement chimique; d’autre part proposer de nouveaux designs de réacteurs offrant une sélectivité chimique optimale. Ceci est rendu possible par l’approche de simulation numérique aux grandes échelles (LES), qui est utilisée pour étudier l’écoulement réactif à l’intérieur de diverses géométries de réacteurs. Le code AVBP, qui résout les équations de Navier Stokes compressibles pour les écoulements turbulents, est utilisé pour simuler le procédé grâce à une méthodologie numérique adaptée. En particulier, les effets des pertes de charge et du transfert thermique sur la conversion chimique sont comparés pour un réacteur lisse et un réacteur nervuré afin de quantifier l’impact de la rugosité de paroi dans des conditions d’utilisation industrielles. Une méthodologie d’optimisation du design des réacteurs, basée sur plusieurs simulations numériques et les processus Gaussiens, est finalement mise au point et utilisée pour aboutir à un design de réacteur de craquage thermique innovant, maximisant le rendement chimique / Thermal cracking is an industrial process sensitive to both temperature and pressure operating conditions. The use of internally ribbed reactors is a passive method to enhance the chemical selectivity of the process, thanks to a significant increase of heat transfer. However, this method also induces an increase in pressure loss, which is damageable to the chemical yield and must be quantified. Because of the complexity of turbulence and chemical kinetics, and as detailed experimental measurements are difficult to conduct, the real advantage of such geometries in terms of selectivity is however poorly known and difficult to assess. This work aims both at evaluating the real benefits of internally ribbed reactors in terms of chemical yields and at proposing innovative and optimized reactor designs. This is made possible using the Large Eddy Simulation (LES) approach, which allows to study in detail the reactive flow inside several reactor geometries. The AVBP code, which solves the Navier-Stokes compressible equations for turbulent flows, is used in order to simulate thermal cracking thanks to a dedicated numerical methodology. In particular, the effect of pressure loss and heat transfer on chemical conversion is compared for both a smooth and a ribbed reactor in order to conclude about the impact of wall roughness in industrial operating conditions. An optimization methodology, based on series of LES and Gaussian process, is finally developed and an innovative reactor design for thermal cracking applications, which maximizes the chemical yield, is proposed

Depuis la fermeture de Phénix en 2010 le CEA ne possède plus de réacteur au sodium. Vus les enjeux énergétiques et le potentiel de la filière, le CEA a lancé un programme de démonstrateur industriel appelé ASTRID (Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration), réacteur d’une puissance de 600MW électriques (1500 MW thermiques). L’objectif du prototype est double, être une réponse aux contraintes environnementales et démontrer la viabilité industrielle :• De la filière RNR-Na, avec un niveau de sureté au moins équivalent aux réacteurs de 3ème génération, du type de l’EPR. ASTRID intégrera dès la conception le retour d’expérience de Fukushima ;• Du retraitement des déchets (transmutation d’actinide mineur) et de la filière qui lui serait liée.La sûreté de l’installation est prioritaire, aucun radioélément ne doit être rejeté dans l’environnement, et ce dans toutes les situations. Pour atteindre cet objectif, il est impératif d’anticiper l’impact des nombreuses sources d’incertitudes sur le comportement du réacteur et ce dès la phase de conception. C’est dans ce contexte que s’inscrit cette thèse dont l’ambition est le développement de nouvelles méthodes d’optimisation des cœurs des RNR-Na. L’objectif est d’améliorer la robustesse et la fiabilité des réacteurs en réponse à des incertitudes existantes. Une illustration sera proposée à partir des incertitudes associées à certains régimes transitoires dimensionnant. Nous utiliserons le modèle ASTRID comme référence pour évaluer l’intérêt des nouvelles méthodes et outils développés.L’impact des incertitudes multi-Physiques sur le calcul des performances d’un cœur de RNR-Na et l’utilisation de méthodes d’optimisation introduisent de nouvelles problématiques :• Comment optimiser des cœurs « complexes » (i.e associés à des espaces de conception de dimensions élevée avec plus de 20 paramètres variables) en prenant en compte les incertitudes ?• Comment se comportent les incertitudes sur les cœurs optimisés par rapport au cœur de référence ?• En prenant en compte les incertitudes, les réacteurs sont-Ils toujours considérés comme performants ?• Les gains des optimisations obtenus à l’issue d’optimisations complexes sont-Ils supérieurs aux marges d’incertitudes (qui elles-Mêmes dépendent de l’espace paramétrique) ?La thèse contribue au développement et à la mise en place des méthodes nécessaires à la prise en compte des incertitudes dans les outils de simulation de nouvelle génération. Des méthodes statistiques pour garantir la cohérence des schémas de calculs multi-Physiques complexes sont également détaillées.En proposant de premières images de cœur de RNR-Na innovants, cette thèse présente des méthodes et des outils permettant de réduire les incertitudes sur certaines performances des réacteurs tout en les optimisant. Ces gains sont obtenus grâce à l’utilisation d’algorithmes d’optimisation multi-Objectifs. Ces méthodes permettent d’obtenir tous les compromis possibles entre les différents critères d’optimisations comme, par exemple, les compromis entre performance économique et sûreté. / Since Phenix shutting down in 2010, CEA does not have Sodium Fast Reactor (SFR) in operating condition. According to global energetic challenge and fast reactor abilities, CEA launched a program of industrial demonstrator called ASTRID (Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration), a reactor with electric power capacity equal to 600MW. Objective of the prototype is, in first to be a response to environmental constraints, in second demonstrates the industrial viability of:• SFR reactor. The goal is to have a safety level at least equal to 3rd generation reactors. ASTRID design integrates Fukushima feedback;• Waste reprocessing (with minor actinide transmutation) and it linked industry.Installation safety is the priority. In all cases, no radionuclide should be released into environment. To achieve this objective, it is imperative to predict the impact of uncertainty sources on reactor behaviour. In this context, this thesis aims to develop new optimization methods for SFR cores. The goal is to improve the robustness and reliability of reactors in response to existing uncertainties. We will use ASTRID core as reference to estimate interest of new methods and tools developed.The impact of multi-Physics uncertainties in the calculation of the core performance and the use of optimization methods introduce new problems:• How to optimize “complex” cores (i.e. associated with design spaces of high dimensions with more than 20 variable parameters), taking into account the uncertainties?• What is uncertainties behaviour for optimization core compare to reference core?• Taking into account uncertainties, optimization core are they still competitive? Optimizations improvements are higher than uncertainty margins?The thesis helps to develop and implement methods necessary to take into account uncertainties in the new generation of simulation tools. Statistical methods to ensure consistency of complex multi-Physics simulation results are also detailed.By providing first images of innovative SFR core, this thesis presents methods and tools to reduce the uncertainties on some performance while optimizing them. These gains are achieved through the use of multi-Objective optimization algorithms. These methods provide all possible compromise between the different optimization criteria, such as the balance between economic performance and safety.

Μια από τις σημαντικότερες τεχνικές εγχάραξης σε μίκρο και νάνο-κλίμακα είναι αυτή της ξηρής εγχάραξης με πλάσμα. Η παρούσα εργασία είχε σαν σκοπό την κατασκευή διάταξης επεξεργασίας ψυχρού πλάσματος χαμηλής πίεσης που να λειτουργεί στο πεδίο των ραδιοσυχνοτήτων, με την προοπτική να χρησιμοποιηθεί για την επεξεργασία πολυμερών και άλλων υλικών που χρησιμοποιούνται στις μονώσεις υψηλών τάσεων ώστε να βελτιωθούν διάφορες ιδιότητές τους όπως η επιφανειακή υδροφοβία και η αντοχή στη ρύπανση. Ειδικότερα: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται εισαγωγή του αναγνώστη στην επεξεργασία πλάσματος και συγκεκριμένα στην εγχάραξη και τους φυσικούς και χημικούς μηχανισμούς της. Αναλύεται η διάταξη RIE, η οποία εφαρμόζεται κατά την κατασκευή του συστήματος. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται ο σχεδιασμός και η κατασκευή της διάταξης επεξεργασίας, η οποία αποτελείτε από διακριτά μέρη όπως οι θάλαμοι, το πνευματικό σύστημα, το αντλητικό σύστημα και το σύστημα τροφοδοσίας της ισχύος. Δόθηκε ιδιαίτερη προσοχή στη λεπτομερή περιγραφή του κάθε εξαρτήματος που ενσωματώθηκε και ο εξειδικευμένος ρόλος του, ενώ τα αναλυτικά κατασκευαστικά σχέδια παρατίθενται στο παράρτημα. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται βασικός χαρακτηρισμός του αντιδραστήρα. Δηλαδή, παρουσιάζονται οι ηλεκτρικές μετρήσεις οι οποίες ταυτίζονται με τη βιβλιογραφία, παρουσιάζονται οπτικές μετρήσεις από τις οποίες γίνεται ταυτοποίηση ενεργών σωματίων, τα οποία επίσης είναι σύμφωνα με τη βιβλιογραφία παρόμοιων συστημάτων και τέλος, γίνεται ενδεικτική επεξεργασία πολυμερούς και έλεγχος του αποτελέσματος, το οποίο είναι η πιστή απόδοση μοτίβου και ρυθμός εγχάραξης 30nm/min. Στο τέταρτο και τελευταίο κεφάλαιο προτείνονται μελλοντικές εργασίες και βελτιώσεις. / One of the most prominent etching techniques at micro and nano-scale is dry plasma etching. This work’s purpose was the fabrication of a cold plasma low pressure radio-frequency processing rig, with the prospect of being used for polymer and other materials processing, that are used in high voltage insulators, in order to improve their surface properties such as hydrophobicity and pollution resistance. In particular; In the first chapter the reader is being introduced in plasma processing and in particular in etching and physical and chemical mechanisms. RIE set-up, which is to be applied in our rig, is being analyzed. In the second chapter the design and fabrication of the processing rig are being described, which includes parts like the chambers, the pneumatic system, the pumping system and the power delivery system. Special care has been given for a detailed description of every added component and its specialized role, while their analytical mechanical designs are collocated in the appendix. In the third chapter a basic characterization of the reactor is being delivered. Namely, we present electrical measurements which correspond precisely to bibliography and we also present optical measurements from which identification of reactive species is derived, also in accordance to bibliography. Finally, a polymeric substrate is indicatively processed and the result is the faithful pattern transfer by an etching rate of 30nm/min. In the fourth and last chapter, suggestions for future work and improvements are made.

Combustion with a high surface area continuous solid immersed within the flame, referred to as combustion in porous media, is an innovative approach to combustion as the solid within the flame acts as an internal regenerator distributing heat from the combustion byproducts to the upstream reactants. By including the solid structure, radiative energy extraction becomes viable, while the solid enables a vast extension of flammability limits compared to conventional flames, while offering dramatically reduced emissions of NOx and CO, and dramatically increased burning velocities. Efforts documented within are used for the development of a streamlined set of design principles, and characterization of the flame's behavior when operating under such conditions, to aid in the development of future combustors for lean burn applications in open flow systems. Principles described herein were developed from a combination of experimental work and reactor network modeling using CHEMKIN-PRO. Experimental work consisted of a parametric analysis of operating conditions pertaining to reactant flow, combustion chamber geometric considerations and the viability of liquid fuel applications. Experimental behavior observed, when utilizing gaseous fuels, was then used to validate model outputs through comparing thermal outputs of both systems. Specific details pertaining to a streamlined chemical mechanism to be used in simulations, included within the appendix, and characterization of surface area of the porous solid are also discussed. Beyond modeling the experimental system, considerations are also undertaken to examine the applicability of exhaust gas recirculation and staged combustion as a means of controlling the thermal and environmental output of porous combustion systems. This work was supported by ACS PRF "51768-ND10 and NSF IIP 1343454.