Thèse : Conception d’un réacteur à sels fondus (MSR) à spectre thermique pour la propulsion nucléaire é

Sujet de thèse :
Contexte : L’énergie nucléaire par fission est appelée à jouer un rôle clé dans l’exploration spatiale au cours des prochaines années. Deux grands types de réacteurs nucléaires sont généralement envisagés pour les systèmes de propulsion spatiale : la propulsion nucléaire thermique (NTP) et la propulsion nucléaire électrique (NEP). Dans le concept NTP, un fluide caloporteur (généralement de l’hydrogène liquide) est chauffé à haute température dans un réacteur nucléaire, puis détendu dans une tuyère pour produire de la poussée. Cette approche offre une poussée importante, mais pose également des défis majeurs en matière de fiabilité du combustible, de tests du réacteur et de sécurité opérationnelle. À l’inverse, le concept NEP repose sur un principe fondamentalement différent : l’énergie thermique produite par le réacteur nucléaire est convertie en électricité, laquelle alimente un système de propulsion électrique. La NEP offre une fiabilité accrue et simplifie les procédures de test et de sûreté par rapport à la NTP, mais au prix d’une poussée plus faible.

Depuis 2018, l’équipe de physique des réacteurs du LPSC Grenoble travaille sur la conception de micro-réacteurs destinés à la NEP, ainsi que sur le développement d’outils numériques spécifiquement adaptés à la modélisation de ces systèmes nucléaires. Cette équipe étudie actuellement deux concepts de réacteurs dans le cadre du projet RocketRoll [1], financé par l’Agence Spatiale Européenne (ESA) : les réacteurs à sels fondus (MSR) et les réacteurs à caloducs (HPR). Pour mener ces études, deux outils de calcul sont utilisés : PRESTO et NepFOAM. PRESTO (NEP Rocket Design Tool) est un outil d’optimisation conçu pour identifier les paramètres de conception optimaux d’un concept de réacteur donné, y compris sa géométrie, ses dimensions, ses matériaux et ses technologies. Son développement se poursuit actuellement en collaboration avec le CNES (Centre National d’Études Spatiales) dans le cadre d’une thèse cofinancée. Pour réaliser des analyses détaillées du réacteur, l’équipe utilise un outil multiphysique appelé NepFOAM [2][3], qui couple numériquement OpenFOAM et SERPENT 2. OpenFOAM est une boîte à outils C++ dédiée au développement de solveurs numériques pour les problèmes de mécanique des milieux continus, notamment en dynamique des fluides (CFD), basée sur la méthode des volumes finis (FVM). SERPENT 2 est un code Monte Carlo tridimensionnel polyvalent pour les calculs de transport de neutrons. L’outil multiphysique comprend trois modules interconnectés : neutronique, thermo-hydraulique et thermo-mécanique. Divers phénomènes physiques, champs scalaires et champs vectoriels sont utilisés pour coupler ces trois modules, ce qui fait de ce couplage un aspect essentiel de la modélisation des réacteurs, particulièrement dans le cas de combustibles liquides, comme dans les MSR. Lors des simulations numériques, ces trois modules sont exéc
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