Thèse doctorale sur la « Modélisation et conception de systèmes nucléaires pour la propulsion électriqu

Sujet de thèse :
Missions
Depuis 2019, l’équipe Physique des Réacteurs du LPSC travaille sur la conception de microréacteurs destinés à la propulsion nucléaire électrique spatiale (Nuclear Electric Propulsion, NEP) ainsi que sur le développement d’outils numériques (NepFOAM et PRESTO) spécifiquement dédiés à la modélisation de ces systèmes. PRESTO occupe une place centrale dans le processus de conception en aidant à identifier les concepts les plus prometteurs et à déterminer les paramètres optimaux (taille, matériaux, enrichissement du combustible, température, débit, etc.) de l’ensemble des sous-systèmes NEP, lesquels sont ensuite étudiés plus finement à l’aide de simulations multiphysiques haute fidélité réalisées avec NepFOAM.
Au cours de la thèse actuellement en cours, cofinancée par le CNES, PRESTO a été considérablement enrichi par l’intégration d’une nouvelle technologie de réacteur : le réacteur à caloducs (Heat Pipe Reactor, HPR). Le présent projet de thèse vise à poursuivre et à étendre ce développement afin de couvrir l’ensemble des principales technologies de réacteurs envisagées pour la propulsion nucléaire électrique, tout en prenant également en compte les applications de production d’énergie de surface.
Deux nouveaux concepts de réacteurs seront intégrés à PRESTO : les réacteurs refroidis au gaz (Gas-Cooled Reactors, GCR) et les réacteurs à métal liquide (Liquid Metal Reactors, LMR). En parallèle, un nouveau système de conversion d’énergie fondé sur le cycle de Brayton sera implémenté dans l’outil. Bien que ce cycle soit particulièrement bien adapté aux GCR, il constitue également une option pertinente pour les HPR, les réacteurs à sels fondus (MSR) et les LMR. Dans une phase ultérieure de la thèse, PRESTO sera également étendu afin de permettre l’optimisation préliminaire de systèmes de production d’énergie de surface destinés, par exemple, à des bases lunaires ou martiennes.
Grâce à ces nouvelles fonctionnalités, PRESTO permettra de répondre à des questions fondamentales de conception allant bien au-delà de simples comparaisons de performances entre technologies. En intégrant également les contraintes spécifiques aux systèmes de production d’énergie de surface, l’outil permettra d’évaluer dans quelle mesure les technologies développées pour la propulsion nucléaire électrique peuvent être adaptées à des applications sur la Lune ou sur Mars.
1. Développement et implémentation du modèle de réacteur refroidi au gaz (GCR) et du cycle de Brayton dans PRESTO (année 1).
2. Développement du modèle de réacteur à métal liquide (LMR), en considérant notamment des concepts refroidis au sodium (Na), à l’alliage sodium-potassium (NaK) ou au lithium (Li) (année 2).
3. Études comparatives des performances des quatre principales technologies de propulsion nucléaire électrique : LMR, GCR, HPR et MSR (années 2 et 3). Les modèles existants seront améliorés si nécessaire.
4. En fonction de l’avancem
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