Thèse Etude Expérimentale et Simulation Dem du Démélange de Poudres d'Actinides Lors des Opérations de Transfert H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Technologie de Compiègne École doctorale : Sciences pour l'ingénieur Laboratoire de recherche : Transformations intégrées de la matière renouvelable Direction de la thèse : Mikel LETURIA ORCID 0000000214746044 Début de la thèse : 2026-11-02 Date limite de candidature : 2026-05-31T23:59:59 La fabrication des combustibles nucléaires à base d'oxydes d'actinides (UO2, PuO2), notamment dans le cas du combustible MOX, repose sur de nombreuses opérations mettant en jeu des poudres (transfert, stockage, dosage, broyage, remplissage et compactage). Au cours de ces étapes, des phénomènes de ségrégation peuvent apparaître en raison des différences de propriétés des particules (taille, forme, densité, état de surface), conduisant à un démélange des constituants. Ces hétérogénéités affectent directement l'homogénéité du mélange, la densité locale et, in fine, la qualité géométrique et fonctionnelle des pastilles après pressage et frittage. La maîtrise de ces phénomènes constitue ainsi un enjeu industriel majeur pour garantir la robustesse des procédés et la conformité des produits.

Dans ce contexte, la thèse vise à approfondir la compréhension des mécanismes de ségrégation des poudres d'actinides lors des opérations de transfert, en se concentrant en particulier sur le convoyage vibrant et les écoulements gravitaires. L'objectif scientifique est d'identifier et de quantifier les liens entre les propriétés physiques et rhéologiques des poudres (distribution granulométrique, morphologie, densité apparente, rugosité, cohésion), les conditions opératoires (géométrie des équipements, caractéristiques des vibrations, régimes d'écoulement, taux de remplissage), et l'intensité et la cinétique du démélange observé. Une attention particulière sera portée aux poudres cohésives et aux phénomènes d'auto-agglomération, encore peu décrits dans la littérature pour des matériaux industriels complexes.

Le travail reposera sur une approche couplée expérimentale et numérique. Sur le plan expérimental, des dispositifs seront développés ou adaptés afin d'étudier la ségrégation dans des configurations de référence et dans des situations représentatives des procédés industriels. Des poudres simulantes représentatives, dont les propriétés physiques et rhéologiques seront soigneusement caractérisées, seront utilisées pour établir des protocoles de mesure robustes et reproductibles. L'analyse des résultats permettra d'identifier les mécanismes dominants et d'établir des corrélations entre paramètres matériaux et procédés.
En parallèle, des simulations numériques basées sur la Méthode des Eléments Discrets (DEM) seront mises en oeuvre. Elles nécessiteront une étape de calibration des paramètres d'interaction particulaire à partir des données expérimentales, puis une validation sur des cas de référence. Une étude paramétrique permettra ensuite d'identifier les facteurs prépondérants dans la ségrégation et d'explorer des configurations difficilement accessibles expérimentalement.

Réalisée au CEA Cadarache, en collaboration avec le laboratoire TIMR de l'Université de Technologie de Compiègne, la thèse s'appuiera sur des moyens expérimentaux dédiés à la caractérisation des poudres et sur des outils de simulation haute performance.

Les retombées attendues sont à la fois scientifiques et industrielles. Il s'agit, d'une part, d'améliorer la compréhension des mécanismes de ségrégation dans des poudres cohésives complexes proches des systèmes réels, et, d'autre part, de proposer des outils de prédiction de la propension à la ségrégation, ainsi que des recommandations sur les propriétés des poudres et les paramètres procédés, afin de limiter le démélange lors des opérations industrielles.

À l'issue de la thèse, la personne diplômée disposera de compétences en caractérisation, analyse et mise en oeuvre de solides divisés, compétences très recherchées dans de nombreux secteurs industriels (nucléaire, énergie, économie circulaire, valorisation de la biomasse, ainsi que les industries pharmaceutique, cosmétique, chimique, ou encore agroalimentaire). Les opérations de manutention de poudres dans l'industrie nucléaire sont sensibles aux phénomènes de ségrégation, qui affectent l'homogénéité des mélanges et la qualité des combustibles. Malgré de nombreux travaux académiques, l'extrapolation aux poudres d'actinides reste limitée en raison de leur caractère cohésif et de leur complexité. Les approches numériques, notamment DEM, offrent des perspectives mais nécessitent encore des validations expérimentales robustes. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte de besoin de compréhension et de modélisation prédictive. L'objectif principal est d'identifier et de quantifier les paramètres influençant la ségrégation des poudres d'actinides lors des opérations de transfert. Il s'agit d'établir des relations entre propriétés des poudres, conditions opératoires, et intensité et cinétique du démélange. Le travail vise également à mieux comprendre le rôle de la cohésion et des phénomènes d'auto-agglomération. À terme, l'ambition est de proposer des outils de prédiction et des recommandations pour limiter la ségrégation. Le travail repose sur une approche couplée expérimentale et numérique. Des dispositifs expérimentaux seront développés ou adaptés pour étudier la ségrégation dans des configurations représentatives (écoulement gravitaire, convoyage vibrant). Des poudres simulantes seront caractérisées afin d'établir des protocoles de mesure fiables. En parallèle, des simulations DEM seront mises en oeuvre, calibrées à partir des données expérimentales, puis utilisées pour des études paramétriques.

Le ou la candidat·e devra être titulaire d'un diplôme d'ingénieur ou d'un Master en génie des procédés, génie mécanique ou science des matériaux. Il ou elle devra faire preuve de curiosité scientifique, avec un intérêt marqué pour le travail expérimental et la conception de dispositifs. Rigueur, organisation et capacité à travailler en équipe sont indispensables pour mener à bien le projet.

De bonnes qualités rédactionnelles sont attendues, ainsi qu'un bon niveau d'anglais, tant à l'écrit qu'à l'oral. Une expérience ou un intérêt pour les outils de simulation numérique, notamment dans le domaine des milieux granulaires ou des méthodes de type DEM, sera un atout apprécié.

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