Optimisation de forme au service de l'innovation pour le combustible nucléaire // Shape optimization for nuclear fuel innovation

L'objectif de la thèse est de mettre en œuvre des stratégies numériques, afin de pouvoir proposer des combustibles innovants. Pour ce faire, on utilisera des techniques mathématiques et numériques récentes liées à l'optimisation de forme.

L'industrie nucléaire vise à développer des combustibles nucléaires toujours plus sûrs avec des combustibles appelés « Accident-Tolerant Fuel » [1].
Cela passe notamment par la conception de combustibles fonctionnant à relativement basse température (dits «froids») en fonctionnement nominal, ce qui peut s'obtenir par l'ajout d'additifs très conducteurs (métal).

L'objectif de la thèse est de développer des méthodes numériques (capitalisées dans un code semi-industriel), afin de pouvoir proposer de nouvelles «formes» de combustibles (le mot «forme» étant pris au sens de la structure interne ou de la microstructure), optimisées pour les phénomènes considérés. Pour ce faire, on utilisera des techniques mathématiques et numériques récentes liées à l'optimisation de forme [2].

L'étude commencera par une modélisation simple des phénomènes thermo-mécaniques [3]. Puis, un aller- retour entre l'implémentation de méthodes, les résultats obtenus et la modélisation physique sera nécessaire, afin de reformuler des problèmes physiques plus complexes sous une forme numériquement accessible. Un des enjeux est la mise au point d'un code numérique 3D, impliquant des stratégies de parallélisation massive.

Cette thèse se déroulera au CEA de Cadarache au sein du Département d'Etude des Combustibles, plus précisément du Laboratoire des Méthodes Numériques et Composants Physiques pour la plate-forme PLEIADES (LMCP). Ce département est rattaché à l'Institut IRESNE, l'Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone. La thèse sera réalisée en collaboration avec une équipe de l'Université de Nice offrant ainsi un encadrement à la fois académique et en lien avec les problématiques industrielles. Elle s'inscrit plus largement dans le projet Fast-in-Fuels, au sein du Programme Prioritaire de Recherche PEPR DIADEM.

Le candidat sélectionné possédera un solide bagage en calcul scientifique, en analyse et analyse numérique d'équations aux dérivées partielles, ainsi que des notions d'optimisation. Idéalement, il aura également des connaissances de base en thermique et mécanique des milieux continus. Le sujet proposé a un objectif appliqué ciblé, mais il possède une véritable composante exploratoire. Par ailleurs, il se trouve au carrefour de champs scientifiques variés. C'est pourquoi il sera attendu de l'étudiant en thèse de faire preuve de curiosité et créativité.

[1] Review of accident tolerant fuel concepts with implications to severe accident progression and radiological releases, 2020.
[2] G. Allaire. Shape optimization by the homogenization method, volume 146 of Applied Mathematical Sciences. Springer-Verlag, New York, 2002.
[3] T. Devictor. Optimisation géométrique pour des combustibles nucléaires innovants et plus sûrs. Thèse de doctorat, 2025.
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This thesis aims at developing numerical strategies in order to contribute to innovation in for nuclear fuels. It will take advantage of recent numerical and mathematical techniques related to the so-called 'shape optimization'.

Nuclear industry is currently developing enhanced Accident Tolerant Fuels' (ATF) [1]. These fuels feature enhanced physical properties; in particular, thanks to the addition of thermal conductors inside the fuel, they tend to be colder in standard as well as in accident conditions.

This thesis aims at developing numerical strategies (that will be programmed into a semi-industrial code) in order to propose new 'shapes' of fuels (by 'shape', we mean internal structures or microstructures), and to optimize them. It will take advantage of recent numerical and mathematical techniques related to the so-called 'shape optimization' [2].

Based on the previous work [3], more and more complex physical phenomena will be taken into account : first, thermal conductivity and mechanical behavior in standard conditions, then gas diffusion... Discussion with experts and modelling will be necessary in order to reformulate these physical behaviors into forms amenable to numerical simulation. One main objective is to build a code for shape optimization in 3D, which requires implementing HPC strategies (High-Performance Computing), involving massive parallelism.

This thesis will take place at the CEA center of Cadarache in the fuel research department, in a laboratory devoted to modelling and numerical methods. The latter is affiliated to the Institute IRESNE for the research low-carbon energy production.

This project will be in collaboration with Nice University offering so an environment both academic and connected to application.

It also takes part in the PEPR DIADEM called Fast-in-Fuel, a national research project.

We search for excellent candidates with a solid background in scientific computing, analysis and numerical analysis of partial differential equations, as well as in optimization. Skills in physics (mechanics and thermics) will also be considered. The proposed subject aims at a concrete application at the intersection of various scientific fields, and it is largely exploratory. Hence, curiosity and creativity will also be highly appreciated.

[1] Review of accident tolerant fuel concepts with implications to severe accident progression and radiological releases, 2020.
[2] G. Allaire. Shape optimization by the homogenization method, volume 146 of Applied Mathematical Sciences. Springer-Verlag, New York, 2002.
[3] T. Devictor. Optimisation géométrique pour des combustibles nucléaires innovants et plus sûrs. Thèse de doctorat, 2025.
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Début de la thèse : 01/09/2026

Financement d'un établissement public Français

Université Côte d'Azur

364 SFA - Sciences Fondamentales et Appliquées

Le candidat sélectionné possèdera un solide bagage en calcul scientifique, en analyse et analyse numérique d'équations aux dérivées partielles, ainsi que des notions d'optimisation. Idéalement, il aura également des connaissances de base en thermique et mécanique des milieux continus. Le sujet proposé a un objectif appliqué ciblé, mais il possède une véritable composante exploratoire. Par ailleurs, il se trouve au carrefour de champs scientifiques variés. C'est pourquoi il sera attendu de l'étudiant en thèse de faire preuve de curiosité et créativité.
We search for excellent candidates with a solid background in scientific computing, analysis and numerical analysis of partial differential equations, as well as in optimization. Skills in physics (mechanics and thermics) will also be considered. The proposed subject aims at a concrete application at the intersection of various scientific fields, and it is largely exploratory. Hence, curiosity and creativity will also be highly appreciated.