Thèse de doctorat : Caractérisation thermophysique de matériaux par méthode photothermique et apprentissage automatique – Evaluation in situ du vieillissement des récepteurs solaires

1 – Contexte

Afin d’optimiser le fonctionnement des centrales solaires à concentration, le laboratoire PROMES-CNRS (UPR 8521) s’intéresse depuis de nombreuses années à la compréhension du vieillissement des matériaux dont sont constitués les récepteurs solaires. En effet, il est nécessaire de comprendre comment ces matériaux se comportent dès lors qu’ils sont soumis à des hauts flux et comment, au cours de leur durée d’utilisation, leurs propriétés peuvent influencer l’efficacité des centrales.

Dans le cadre de plusieurs projets européens successifs (SFERA, SFERA II, RAISELIFE et SFERA III ; ce dernier est en cours), des montages expérimentaux innovants ainsi que des méthodes de conception optimale d’expérience ont été développés et mis au point. Les thèses financées par ces projets, parmi lesquelles la thèse de Reine Reoyo-Prats [1], traitent de l’étude des mécanismes de vieillissement des matériaux par le suivi de leurs propriétés thermophysiques au cours du temps. Aussi, il est nécessaire de disposer de méthodes d’estimation de ces propriétés qui soient performantes et les plus universelles possible. En effet, les matériaux à étudier sont nombreux : des matériaux massifs, bicouches ou plus, homogènes ou hétérogènes, etc. Notre préoccupation, à l’origine du sujet de thèse proposé, est unique : comment se comportent ces matériaux au cours du temps ? Comment évoluent leurs propriétés lorsque ces matériaux subissent de fortes contraintes thermiques et mécaniques ?

Dans le cadre de la maintenance en temps réel des centrales solaires à concentration, un dispositif de diagnostic in-situ et non destructif du récepteur solaire serait un outil à haute valeur ajoutée. La mise au point d’un tel dispositif nécessite le développement d’algorithmes à coût calculatoire maîtrisé pour la caractérisation thermophysique des matériaux dont sont constitués les récepteurs solaires. Le sujet de thèse proposé (axe thématique CSPG, pour « Centrales Solaires de Prochaines Générations », activité « Intelligence artificielle pour le solaire ») cible le développement de ces algorithmes. Les travaux seront financés en cas de succès au concours de l’ED 305 « Energie et environnement » (juin 2022).

 

2 – Objectifs

Les travaux proposés mettront à profit, d’une part, les données expérimentales collectées par Reine Reoyo-Prats (ces données sont peu nombreuses) et, d’autre part, les algorithmes d’estimation développés par cette dernière pendant sa thèse de doctorat [2]. Reine Reoyo-Prats a démontré que les réseaux de neurones artificiels à propagation avant pouvaient être utilisés comme outils d’estimation de propriétés thermophysiques et qu’ils permettaient, dans certains cas, de palier les limitations des méthodes inverses. L’estimation simultanée de la diffusivité thermique et de la conductivité thermique de matériaux massifs, à partir de leurs réponses photothermiques, s’est avérée possible grâce à ces outils. Il est toutefois nécessaire d’améliorer les algorithmes développés et d’en étendre, autant que possible, le domaine de validité. Ainsi, le travail proposé dans le cadre de cette thèse s’articule en trois grandes parties.

 

  1. La première partie des travaux sera consacrée à la consolidation de la base de données disponible au laboratoire PROMES-CNRS. A cet effet, deux voies seront explorées : (1) la modélisation des réponses photothermiques des matériaux à caractériser, que l’on soumettra à différents types d’excitation, pour la génération de données simulées et (2) l’augmentation de données par auto-encodeur variationnel (un réseau de neurones artificiels pour l’apprentissage non supervisé de caractéristiques discriminantes). Les modèles développés permettront, par ailleurs, d’optimiser les paramètres des dispositifs expérimentaux en menant des études de sensibilité. Cette étape de consolidation de la base de données est rendue nécessaire par le manque de données expérimentales.
  2. La deuxième partie des travaux ambitionne le développement, en un langage de programmation adapté aux contraintes de l’embarqué (Python), à partir de la base de données consolidée, d’algorithmes fondés sur l’apprentissage automatique/profond pour la caractérisation thermophysique des matériaux massifs dont sont constitués les récepteurs solaires. Seront associés des réseaux de neurones à convolution (ou CNN, pour Convolutional Neural Networks), pour le traitement des réponses photothermiques et l’extraction de caractéristiques de haut niveau, et réseaux de neurones à propagation avant ou réseaux de neurones récurrents (des réseaux LSTM, pour Long Short Term Memory) pour l’estimation simultanée de la diffusivité thermique et de la conductivité thermique des matériaux massifs à caractériser. Il sera impératif de maitriser le coût calculatoire de ces algorithmes, pour un fonctionnement en temps réel, dans l’optique du développement d’un dispositif de caractérisation in situ des récepteurs solaires et de l’évaluation de leur vieillissement. Les algorithmes développés par Reine Reoyo-Prats au cours de ses travaux de thèse [1, 2] fourniront des performances de référence. Il sera indispensable, au cours de ce travail, de garder à l’esprit que les méthodes utilisées doivent être implémentables dans un dispositif compact, transportable et facilement utilisable par un agent chargé du contrôle et de la maintenance d’une centrale solaire à concentration. Des solutions techniques pourraient alors être proposées.
  3. Au cours du projet RAISELIFE, nous avons testé des matériaux multicouches pour la fabrication des récepteurs solaires de prochaine génération. Certains de ces matériaux se sont avérés très prometteurs, tant par leurs qualités thermiques que mécaniques. De ce fait, la troisième partie des travaux aura pour finalité d’évaluer la validité, avec les matériaux multicouches testés, des algorithmes développés pour l’estimation de propriétés thermophysiques (diffusivité thermique et conductivité thermique) de matériaux massifs. Le cas échéant, ces algorithmes seront adaptés aux matériaux multicouches.

 

3 – Compétences recherchées

Le sujet de thèse proposé par PROMES-CNRS est pluridisciplinaire. Le candidat/la candidate devra se montrer à l’aise avec les outils de simulation et de programmation scientifique/embarquée (Python) pour le développement d’algorithmes d’estimation de propriétés thermophysiques à l’aide des outils de l’apprentissage automatique/profond. En outre, il lui sera demandé(e) de contribuer à l’amélioration d’un banc de photothermie. Il/elle devra donc faire preuve d’un goût particulier pour l’aspect expérimental. Ainsi, une formation initiale généraliste couplée à une formation de deuxième cycle dans le domaine de la modélisation et de l’intelligence artificielle serait le cursus idéal. Des compétences en science de la donnée, tout comme une connaissance des transferts thermiques, seraient particulièrement appréciées.

 

4 – Laboratoire d’accueil (www.promes.cnrs.fr)

PROMES (« Procédés, Matériaux et Énergie Solaire »), une unité propre de recherche du CNRS (UPR 8521) conventionnée avec l’Université de Perpignan Via Domitia (UPVD), aborde l’énergie solaire et sa valorisation. Ses activités de recherche sont structurées selon trois axes thématiques : Matériaux pour l’Energie et l’Espace (MEE), Centrales Solaires de Prochaines Générations (CSPG) et Stockage et Chimie Solaire (SCS).

 

5 – Contacts

Olivier Faugeroux, MCF HDR, 62e section du CNU, faugeroux@univ-perp.fr

Bernard Claudet, PR, 62e section du CNU, claudet@univ-perp.fr

Ferhat Tamssaouet, MCF, 61e section du CNU, ferhat.tamssaouet@univ-perp.fr

Stéphane Grieu, PR, 61e section du CNU, grieu@univ-perp.fr

 

6 – Bibliographie

[1] Reine Reoyo-Prats, Etude du vieillissement de récepteurs solaires – Estimation de propriétés thermophysiques par méthode photothermique associée aux outils issus de l’intelligence artificielle, thèse de doctorat, laboratoire PROMES-CNRS, 2020.

[2] Reine Reoyo-Prats, Stéphane Grieu, Olivier Faugeroux and Bernard Claudet, Novel artificial neural network-based method for the simultaneous estimation of thermophysical properties using experimental photothermal data, European Physical Journal Applied Physics 93 (1) (2021) 10901.

Caractérisation morphologique et modélisation des transferts radiatifs dans les résidus poreux de matériaux fortement intumescents – IRSN/PSN-RES/SA2I/LIE Cadarache

L’Institut
L’IRSN, Etablissement Public à caractère Industriel et Commercial (EPIC) est l’expert public national des risques nucléaires et radiologiques. L’IRSN concourt aux politiques publiques en matière de sûreté nucléaire et de protection de la santé et de l’environnement au regard des rayonnements ionisants. Organisme de recherche et d’expertise, il agit en concertation avec tous les acteurs concernés par ces politiques, tout en veillant à son indépendance de jugement.

Thématique
Le Service des Agressions Internes et des risques Industriels (SA2I) de l’IRSN est chargé d’identifier les différents risques d’incendie pouvant survenir dans les installations nucléaires, de proposer des outils d’analyse utilisables pour les études en sûreté, et de développer des dispositifs d’essais et des outils de simulation pour améliorer la compréhension des phénomènes impliqués lors d’un incendie.
A ce titre, le Laboratoire de l’Incendie et de l’Explosion (LIE, rattaché au SA2I) propose deux démarches complémentaires d’évaluation de la puissance et de la cinétique de feux impliquant des foyers complexes (armoires électriques, chemins de câbles, boîtes à gants). La première consiste à développer des modèles intégraux de puissance corrélés aux caractéristiques macroscopiques du foyer. La seconde, dans laquelle s’inscrit la présente thèse, consiste à proposer une modélisation locale des différents phénomènes étudiés (transferts thermiques et massiques, combustion, pyrolyse) pour les simuler et ainsi prédire la puissance du feu. Plus précisément, la thèse proposée porte sur la modélisation de la dégradation thermique, ou pyrolyse, des matériaux constituant ces foyers complexes.

Sujet
En effet, de nombreux matériaux rencontrés en milieu nucléaire possèdent la propriété de former un résidu poreux au cours de leur pyrolyse. Typiquement les matériaux rencontrés dans la fabrication des câbles (halogénés en PVC, ou non-halogénés le plus souvent constitués d’éthyl-acétate de vinyle (EVA) et d’une charge minérale jouant le rôle de retardateur de flamme) forment un résidu poreux, de même que le polycarbonate (PC) constituant les panneaux internes des boîtes à gants présentes dans les laboratoires usines. Or, la prédiction de la cinétique de dégradation de ces matériaux implique de bien connaître non seulement leurs propriétés thermocinétiques (lois d’Arrhénius, chaleurs de pyrolyse), mais également toutes leurs propriétés intervenant dans les transferts thermiques (inertie thermique, conductivité, propriétés radiatives) et de masse (porosité, perméabilité, diffusivité, morphologie), non seulement à l’état vierge mais également tout au long de leur dégradation.

Dans le cas des matériaux fortement intumescents tels que le PVC ou le polycarbonate, les résidus formés sont très intumescents, contiennent des pores de taille observable à l’oeil nu, et contrairement aux matériaux peu intumescents, les transferts radiatifs au sein des résidus poreux sont au moins du même ordre de grandeur que la conduction. Dans ce contexte, la présente thèse vise à caractériser les propriétés radiatives effectives de ces matériaux aux différents états de leur dégradation, en vue d’effectuer la simulation prédictive de leur dégradation thermique, à l’image de travaux réalisés récemment sur la conductivité thermique effective des gaines de câbles non-halogénées.

Direction et encadrement de thèse
Jean-François Thovert (directeur de thèse), Institut P’;
Valeri Mourzenko (co-directeur de thèse), Institut P’;
Germain Boyer (encadrant), IRSN/PSN-RES/SA2I/LIE Cadarache

Contacts
Germain Boyer (germain.boyer@irsn.fr) — Jean-François Thovert (thovert@ensma.fr)

Post-doctoral position « Development of a pilot line for Light impurity purification in Silicon wastes from Photovoltaic module manufacturing » – SIMAP Saint Martin d’Hères

Context and Project

At the global scale, photovoltaic industry is booming to match the demand for clean, renewable and ecocompatible energy sources for the forthcoming green transition. Together with this spreading comes concerns about actual circularity of this industry. In particular, the management of waste materials and energy coming from the production of solar panels has to be addressed to confirm the social, environmental and economic acceptability of solar energy.

As a matter of facts the current production chain for module manufacturing is far from being eco-friendly and economically sustainable: whilst producing PV grade silicon is highly intensive in terms of natural resources (6kg for 1kg EG-Silicon) and energy (80kWh/kg corresponding to 80kg of CO2 emitted per kilogram of Silicon with the Chinese electricity mix), 40% of the ultrapure Silicon is dramatically wasted during the wafering step (kerf powder). In addition, multicrystalline ingot casting and monocrystalline ingot pulling consumes large amounts of – currently – disposable purified silica crucibles and graphite parts from the thermal setups.

The H2020 EU ICARUS (Convention n° 958365) project is granted to address all the waste materials streams from the wafer manufacturing in order demonstrate modular processing solutions at industrial scale to retrieve 95% of high-value raw materials from silicon ingot and wafer manufacturing, through eco-efficient processing, refining, and transformation of industrial silicon, graphite and silica waste streams.
However, recycling Silicon kerfs raises scientific, technological and economic issues: diamond wire saw used for the wafering being water-cooled with lubricant additives (mostly PolyEthyleneGlycol), Silicon kerfs are consequently partly oxidized (silica layer) and contaminated with PEG residues. Efficiently reclaiming Silicon kerfs implies the ability to provide satisfactory raw materials back to the photovoltaic chain. Hence, recycled Silicon must comply with specifications of the ingot manufacturer regarding the shape (granules/chunks) and mostly purity (metallic and light impurities management).

Based upon a strong and well-established collaboration between Grenoble INP – through SIMaP laboratory – and ROSI Solar startup company, a pilot line will be developed in the framework of the ICARUS project to achieve kerf recycling. From previous lab-scale results and proprietary know-how, the main objective is to be able to achieve kerf purification and reconditioning matching PV specifications. A series of low and high temperature processes are implemented to demonstrate both the technological efficiency and economic performance.

Regarding kerf purification, a first set of low temperature treatments are lowering the initial light impurities (C,O) content from a few weight percent level below 1w%. High temperature treatment is then needed to further decrease the residual light impurities content to match the requested ppm level (5N Solar grade). Deoxidation and decarburization of the kerf powder will be considered through metallurgical treatment at high temperature, meaning above the melting point of Silicon, implementing a physico-chemical transfer from the condensed phase towards gas phase to evacuate by-products of reactions.

Job description

In this context, the recruited postdoc will be fully involved in the design of the purification pilot. Given the high interaction level needed to achieve the ambitious objectives of the ICARUS project between SIMAP laboratory and ROSI, a joint team will be developed to enhance and promote scientific and technical advancements between the partners.
In particular, the postdoc will focus on the scientific development of the deoxidation and decarburization process at high temperature mostly through an experimental approach, that will be completed by thermodynamic and kinetics calculations:
i. Based on the existing literature and in relation with his/her supervisor, the postdoc will mostly
consider on the ternary system Si-O-C (condense/gas) in order to
ii. The postdoc will design the experimental plan, conduct the experiments and analyze the results with
the support of dedicated characterizations. Experimental tests will be made with model compounds
and with industrial compounds in order to validate the proposed technological solutions.
iii. Thermodynamic and kinetics calculations will be employed to assess the performance of the
mechanisms, to aim at an optimized process.
iv. Reporting (oral presentations, reports) will be performed at the team and project levels
As part of the joint SIMAP/ROSI team, the postdoc will also benefit from industrial feedbacks about the scalability and cost breakdown of the approach.

Post-doctorat en conception d’inserts en céramique pour tubes radiants à combustion destinés à la sidérurgie secondaire – LCTS Pessac

Contexte
Ce travail s’insère dans le projet CEM-WAVE, qui vise au développement en Composites à Matrices Céramiques (CMC) de brûleurs radiants fonctionnant au biogaz pour la sidérurgie secondaire, en substitution à des alliages métalliques. En effet, ces matériaux permettront une réduction appréciable du coût énergétique de cette industrie et bénéficierait d’une durée de vie largement supérieure dans les conditions d’utilisation : hautes températures, environnement corrosif.
L’action proposée est le design et le suivi de réalisation d’inserts en céramique réfractaire destinés à être placés dans ces tubes pour en améliorer le rendement thermique, c’est-à-dire l’efficacité du transfert de chaleur des gaz en combustion vers les parois externes du tube, sans augmenter exagérément la perte de charge nécessaire à obtenir l’écoulement des gaz.

Missions
Le travail se basera sur des outils de CAO, avec le dessin de structures à insérer, puis sur un logiciel commercial de
mécanique des fluides capable de modéliser le transfert de chaleur par conduction, convection en écoulement turbulent et
rayonnement. Une stratégie d’optimisation des géométries des objets sera mise en place avec des campagnes de variations de paramètres morphologiques à déterminer. Une fois un optimum atteint, il s’agira alors de commander une pièce en céramique ayant la forme requise et d’accompagner sa fabrication. La pièce reçue sera ensuite transmise aux autres partenaires du
projet pour analyses et tests.

Compétences requises
Ingénieur et/ou ingénieur-docteur ayant des compétences en CAO, production de maillages et modélisation de thermique et d’écoulements. Compétences requises sur le logiciel FLUENT. Des compétences en IA seront appréciées. Démarrage en Janvier 2022. Financement par la Commission Européenne au sein du projet H2020 RIA “CEM-WAVE” sous le n° 958170.

Contact (www.lcts.u-bordeaux.fr)
Gerard L. VIGNOLES vinhola@lcts.u-bordeaux.fr
Bruno DUBROCA dubroca@lcts.u-bordeaux.fr

Informations supplémentaires : https://emploi.cnrs.fr/Offres/CDD/UMR5801-GERVIG2-023/Default.aspx

Faculty Position in Thermal Transport for Energy – Ecole polytechnique fédérale de Lausanne

The Institute of Mechanical Engineering is soliciting applications for a faculty position at the level of tenure track Assistant Professor in Multi-Scale Thermal Transport for Energy Systems.

We seek applicants with research interests in the broad area of thermal transport and dynamical thermal storage across multiple scales (system, device and material levels) to advance the scientific and engineering challenges presented by the requirement to efficiently convert and transport large amounts of thermal energy and the need for integration of
significant amounts of renewable energy into our energy mix. The new faculty hire will address these
challenges from an experimental, theoretical, or computational standpoint (or a combination thereof).
We target strategic domains including, but not limited to: (i) Thermal transport in energy systems (e.g., industrial high-temperature processes, novel solutions for thermal energy supply in portable applications); (ii) Thermal transport in energy devices (e.g., passive energy transport and harvesting, energy recovery from high-intensity heat dissipation); and (iii) Fundamentals of spatio-temporal thermal transport (e.g., thermal storage, long-distance transport, thermo-mechanics, and thermo-chemistry). Besides an outstanding research record, the candidates should demonstrate a strong commitment to excellence in teaching at the undergraduate and graduate levels.

As a faculty member of the School of Engineering, the successful candidate will be expected to initiate an independent and creative research program and participate in undergraduate and graduate teaching. Internationally competitive salaries, start-up resources, and benefits are offered.

For additional information on EPFL, please consult the websites: www.epfl.ch, sti.epfl.ch, igm.epfl.ch.

Chercheur/se (H/F) en modélisation par Monte-Carlo des transferts thermiques couplés en géométrie 3D complexe – LMAP Pau

Missions

Dans le cadre du projet Région Nouvelle Aquitaine « Imagerie & Méthodes Thermiques Multi échelles dédiées à l’usine du futur », des modèles probabilistes seront appliqués à l’identification des températures sur des images infrarouges. La méthode de Monte-Carlo sera utilisée pour la résolution des transferts couplés et elle sera mise en oeuvre grâce à l’environnement de développement Star-engine (langage de programmation en C) pour traiter des géométries 3D complexes.

Activités

– Collaborations régulières avec les membres (chercheurs et doctorants) du projet pour guider les développements théoriques et former aux outils informatiques développés
– Construction d’un modèle d’identification de la température en partenariat avec les expérimentateurs
– Formulation du problème de transferts thermiques couplés en espace de chemins et proposer un algorithme de résolution (linéaire ou non linéaire)
– Développement d’un programme informatique de post-traitement des images infrarouges pour l’identification des températures (approche bayésienne, Monte-Carlo Symbolique, etc.)
– Rédaction d’articles en anglais dans des revues de rang A et communications à l’international

Compétences

De solides connaissances en physique et résolution des transferts thermiques sont nécessaires, ainsi qu’une forte expérience en programmation. La mise en oeuvre de modèles de thermique couplée et résolus par Monte-Carlo est un plus.

Candidature

voir ici

Offre de thèse CIRIMAT-ONERA Toulouse

PROPOSITION DE THESE 2021-2024

Sujet : Étude expérimentale et théorique de la diffusion de l’oxygène dans des alliages de titane
Thématique : physique, chimie, matériaux
Mots clés : diffusion, alliages, modélisation
Description :

Les alliages à base de titane sont utilisés comme matériaux de structure dans des applications aéronautiques en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques spécifiques. Cependant, à haute température, ils sont limités par leurs tenue en fluage et par leur résistance à l’environnement. En effet, le titane présente une solubilité en oxygène particulièrement élevée. La dissolution de l’oxygène sous la couche d’oxyde de surface et sa diffusion dans l’alliage entraînent une fragilisation qui peut faciliter l’amorçage et la propagation de fissures de fatigue. Il est donc essentiel de pouvoir prédire la cinétique de croissance de la zone enrichie en oxygène.
Le but de cette thèse est de modéliser la dissolution et la diffusion de l’oxygène dans les alliages de titane. Ce travail s’appuiera sur une approche combinant expériences et modélisation multi-échelle. D’un point de vue expérimental, des alliages modèles binaires et ternaires seront utilisés pour mesurer l’effet de certains éléments d’alliage sur l’enrichissement en oxygène, qui sera mesuré par un ensemble de techniques complémentaires (profils de micro-dureté, profils de concentrations par microsonde de Castaing, par SIMS –avec utilisation d’oxygène 16O2 et 18O2–, voire par microscopie électronique en transmission et par sonde atomique tomographique). Le travail de modélisation reposera sur des simulations à l’échelle atomique (calculs ab initio) ainsi que des simulations de diffusion à une échelle micrométrique utilisant des codes en différences finies disponibles au laboratoire. Les simulations à l’échelle atomique, déjà utilisées au CIRIMAT sur ce type de calculs, permettront d’évaluer la limite de solubilité et le coefficient de diffusion de l’oxygène dans les alliages d’intérêt. Les simulations à l’échelle micrométrique permettront d’analyser les résultats expérimentaux et de réaliser des prévisions de comportement. La force de la modélisation est de pouvoir réaliser des expériences numériques sur des compositions chimiques variées et ainsi tester différentes combinaisons. L’ensemble de ce travail devra permettre de progresser dans la compréhension de l’enrichissement en oxygène et d’acquérir des données permettant d’aider au développement de nouveaux alliages plus résistants à l’oxydation-fragilisation.

Contexte :
Ce projet s’insère dans une étude portée par l’ONERA, financée par la DGAC (Direction générale de l’aviation civile), et conduite en lien avec plusieurs industriels de l’aéronautique (Safran, Airbus, Liebherr Aerospace).

Localisation :
Le travail de thèse sera réalisé principalement au CIRIMAT (Centre Inter-universitaire de Recherche et d’Ingénierie des Matériaux, UMR 5085) INP-ENSIACET, 4 allée Emile Monso BP44362 31030 Toulouse cedex 4 France, en collaboration étroite avec l’ONERA (Châtillon). L’école doctorale sera « Science de la matière (SDM), Université de Toulouse » .
Date souhaitée pour le début de la thèse : 01/10/2021

Personnes à contacter par la candidat
Damien Connétable (damien.connetable@ensiacet.fr) (co-directeur de thèse)
Thomas Gheno (thomas.gheno@onera.fr) (porteur du projet, co-encadrant de thèse)
Daniel Monceau (daniel.monceau@toulouse-inp.fr) (co-directeur de thèse)

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