Contexte :

Le CEA conçoit et élabore des matériaux céramiques poreux réfractaires afin de les utiliser, par exemple, pour leurs propriétés (i) de diffuseurs de gaz chauds, (ii) d’isolation thermique à haute température, (iii) d’absorbeurs de flux solaire, etc. Le CEA cherche donc à mettre au point des matériaux spécifiques de par leurs propriétés microstructurales (nature et agencement des constituants de bases, taux de porosité, taille et forme des pores…) et leurs propriétés thermiques à différentes échelles, afin d’obtenir des matériaux optimisés pour l’application visée.

L’évaluation du comportement thermique des matériaux poreux à haute température ne s’arrête pas à la seule connaissance de la conductivité thermique mais nécessite de prendre en compte le couplage conducto-radiatif véhiculant le transfert de chaleur dans le milieu. En effet, la contribution radiative au transfert de chaleur croit très vite avec la température et apporte l’énergie « plus vite » et plus à coeur dans le milieu du fait de sa plus ou moins grande transparence aux longueurs d’onde des photons transportant l’énergie.

Objectif de la thèse :

Cette étude propose de mener un calcul de prévision des propriétés radiatives spectrales (coefficients d’absorption et de diffusion) en fonction de la température, de milieux fibreux, à partir d’une représentation numérique 3D de leur microstructure obtenue par microtomographie X, dans le cadre d’une collaboration entre le laboratoire CEMHTI (Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation – UPR 3079 CNRS – Orléans) et le CEA Le Ripault. Ce travail original pourra s’appuyer :

• sur les modèles d’homogénéisation et les outils de lancer de rayons développés au CEMTHI permettant de déterminer les coefficients liés au transport photonique, et sur les dispositifs expérimentaux du CEMHTI permettant de mesurer les spectres de transmittance, de réflectance directionnelles hémisphériques à température ambiante et d’émission en fonction de la température.
• les outils de traitement d’images 3D numérisées, les codes de calcul du transfert couplé conducto-radiatif développés au CEA ainsi que les dispositifs de caractérisation de la conductivité thermique à haute température.

Au cours de cette étude, les valeurs des propriétés prédites par ces simulations seront confrontées aux mesures expérimentales issues des bancs de caractérisation du CEMHTI (pour la partie radiative) et du CEA (pour la conduction). Au terme de ce travail, l’outil numérique ainsi développé permettra de fournir les propriétés radiatives nécessaires à un calcul de transfert thermique couplé conducto radiatif sur une microstructure numérisée. Cette démarche de modélisation originale, pouvant s’appliquer à de nombreux matériaux poreux, pourra faire l’objet de publications, notamment dans le domaine de l’efficacité énergétique et des Nouvelles Technologies pour l’Energie (NTE).

Déroulement de la thèse :

Cette étude se déroulera en 4 phases principales :

• Prise en main du sujet au travers d’une étude bibliographique et de la prise en main des codes de calcul existants et des moyens de caractérisation des propriétés optiques du CEMHTI
• Adaptation des modèles d’homogénéisation du CEMHTI à des milieux numérisés obtenus par microtomographie X et confrontation des résultats aux propriétés spectrales mesurées sur les structures fibreuses du CEA
• Adaptation du code conducto-radiatif du CEA pour prendre en compte l’approche spectrale développée
• Validation du code ainsi développé à l’aide du dispositif de caractérisation haute température du CEA

Localisation et périodes de travail réparties entre :

• CEA Le Ripault – Laboratoire Microstructure et Comportement – BP 16 – 37260 MONTS
• CNRS – CEMHTI 1D, Av. de la Recherche Scientifique – 45071 Orléans Cedex 2

Directeur de thèse et école doctorale :

OLIVIER ROZENBAUM (CEMHTI) – Ecole Doctorale  » Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l’Univers » (Université de TOURS)

Contact :

Denis ROCHAIS – CEA/Le Ripault – BP 16 – 37260 Monts – 02.47.34.40.00