Modélisation et optimisation de la boucle de préchauffage d'un réseau de chaleur bois-gaz intégrant solaire thermique et pompe à chaleur

Doctorant : Hamza METTALI

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Cette thèse traite de la conception optimale de réseaux de chaleur intégrant des divers producteurs de chaleur: pompe à chaleur, solaire thermique, chaudières au gaz naturel/biogaz ou bois couplés à des stockages thermiques à court (TES) et long terme (STES). L'objectif est d'optimiser la conception en minimisant le coût actualisé de la chaleur (LCOH) tout en respectant un taux minimal d'énergie renouvelable (TERmin). Une modélisation Programmation Linéaire en Nombres Mixtes (MILP) détaillée a été développée, intégrant explicitement les températures de fonctionnement de la pompe à chaleur et du solaire, ainsi que les contraintes d'exploitation des chaudières bois et des stockages. Le modèle simule un horizon annuel découpé en 288 pas de 3 heures (36 journées représentatives ont été sélectionnées manuellement, 3 par mois). Deux versions du modèle ont été comparées: FreeTES, sans contraintes sur le stockage, surdimensionne systématiquement le TES (jusqu'à 3 000 m3) et induit des comportements irréalistes ; ConsTES, avec contrainte mensuelle de régularité, réduit le TES à 1 000-1 500 m3 et permet l'apparition d'un STES (rendement 21-23 %). L'analyse de sensibilité révèle que la finesse du pas thermique influence peu le COP moyen de la PAC, qui varie entre 2,0 et 2,4 selon la saison et le scénario, mais affecte la gestion du solaire thermique et la fréquence d'activation de la dérivation (jusqu'à 23 % du temps à 10 °C). Les variations du prix de l'électricité modifient la répartition des technologies, favorisant la chaudière bois en cas de prix élevé, et la PAC en cas de prix bas. Une subvention du biogaz réduit le LCOH d'environ 10 %.

Prédiction numérique rapide des contraintes résiduelles dans les composants métalliques après traitements thermiques locaux

Doctorant : Leonardo CIMATTI LUCARELLI

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale  n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

L'objectif de cette étude est d'évaluer l'impact des traitements thermiques de détensionnement (TTD) locaux appliqués après une opération de soudage. Bien que largement utilisés dans l'industrie, ces traitements peuvent modifier significativement les champs de contraintes résiduelles, en fonction de paramètres opératoires tels que la température et la longueur de la zone chauffée. Afin d'analyser l'influence de chacun de ces paramètres sur l'état résiduel post-TTD, des simulations numériques par éléments finis (EF) sont envisagées. Pour garantir la fiabilité des résultats issus des simulations EF, il est essentiel de modéliser avec précision le comportement du matériau, notamment dans le cadre de traitements thermiques à haute température. Le comportement d'un alliage d'acier a été modélisé selon la théorie des matériaux standardisés. Une méthode de calibration de ce modèle a été développée et testée sur un ensemble de données expérimentales. En outre, un modèle paramétrique d'une opération de TTD est proposé, intégrant des paramètres opératoires variant dans le domaine défini par les normes de construction des centrales nucléaires. Une étude paramétrique permet d'identifier les paramètres les plus corrélés aux phénomènes physiques associés au TTD. Cependant, la recherche de paramètres procédés optimaux devient rapidement coûteuse en temps de calcul, en raison du grand nombre de variables et du comportement non linéaire du matériau lors du traitement thermique. Pour surmonter cette difficulté, des méthodes de réduction de modèle et des métamodèles sont mises en œuvre. En particulier, une méthode de réduction de modèle basée sur la physique a été développée dans le cadre de ce travail. Elle améliore le modèle réduit en intégrant les équations décrivant le comportement dissipatif du matériau dans l'espace réduit. Ce modèle
réduit, fondé sur la décomposition orthogonale propre (POD), permet une reconstruction plus précise des champs de contraintes et de dissipation que la POD standard. Un métamodèle, développé à partir de ce modèle réduit physiquement fondé, offre des estimations avec des erreurs plus faibles comparées à d'autres méthodes de la littérature, notamment dans les phases dissipatives de la simulation.
 

Soudage à l'arc de l'acier à l'aluminium: prédiction de l'épaisseur de la couche de composé intermétallique

Doctorant : Benjamin LEFLON

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale n°34 ML - Matériaux

L'assemblage de l'aluminium et de l'acier est une méthode prometteuse pour réduire le poids des automobiles. Parmi les techniques d'assemblage existantes, le soudage à l'arc sous gaz inerte avec électrode en tungstène, connu sous le nom de soudage TIG, semble particulièrement intéressant. Cependant, le fer et l'aluminium réagissent pour former une couche de composé intermétallique (IMC) fragile dont l'épaisseur a un impact direct sur la tenue mécanique de l'assemblage, ce qui empêche son utilisation à l'échelle industrielle. Dans cette thèse, nous proposons de développer un modèle robuste pour prédire la formation de l'IMC pour différentes conditions de soudage. Avant de nous attaquer à la simulation proprement dite, nous nous attelons à concevoir une nouvelle méthode pour analyser en détail la morphologie de l'IMC à l'échelle microscopique et macroscopique, en quantifiant son épaisseur, ses interfaces avec les métaux de base et ses discontinuités à l'aide de plusieurs descripteurs. L'évolution de la morphologie est étudiée séparément en fonction du courant d'arc et de la vitesse de soudage, et en fonction de l'énergie de soudage qui combine ces deux paramètres. Il s'avère que le courant d'arc a une influence nettement plus importante sur l'IMC que la vitesse de soudage, ce qui explique l'incohérence manifeste de l'énergie de soudage en tant que paramètre de quantification. Ensuite, nous développons un modèle thermique par éléments finis pour évaluer les histoires thermiques dans la soudure, calibré à partir de mesures de température en surface réalisées sur le banc expérimental réel. Ce modèle est relié à un modèle de diffusion, et les épaisseurs d'IMC simulées sont comparées à des sections transversales des échantillons soudés. Le modèle s'avère robuste sur une large gamme de courants d'arc et de vitesses de soudage, et fournit même des estimations pertinentes lorsque le matériau de la plaque de support passe de l'acier au cuivre pur. Des investigations supplémentaires révèlent que l'effet de l'augmentation de la conductivité de la plaque de support est négligeable par rapport à celui de l'augmentation de sa conductance thermique avec la plaque de travail. Enfin, le régime transitoire de formation de l'IMC calculé met en évidence trois étapes de croissance, délimitées par les extrema des variations de température. Enfin, afin de discuter le bien fondé du choix de simuler la croissance de l'IMC à l'aide d'un modèle de diffusion pure, le mécanisme de formation de l'IMC est observé plus en détail en étudiant in situ la réaction de l'aluminium liquide avec le fer solide par tomographie à rayons X et diffraction des rayons X par rayonnement synchrotron. Cette expérience permet de révéler les différentes quantités relatives des phases IMC possibles en fonction de la température et de la morphologie des échantillons (massifs ou en poudre). Cela permettra de quantifier l'évolution de l'épaisseur et de la morphologie au cours du temps. Ce dernier point confirme une forte dissolution de la couche par l'aluminium liquide en parallèle de sa croissance dans le fer solide, mais uniquement à long terme, ce qui réaffirme la pertinence d'un modèle de diffusion pure dans un processus transitoire rapide tel que le soudage à l'arc.

Extraction et projection de chorégraphies pour l'optimisation de services distribués réactifs: un continuum langage - runtime

Doctorant : Arthur NAVARRO

Laboratoire INSA : CITI - Centre d'innovation en Télécommunications et Intégration de Services
École doctorale n°512 lnfoMaths - Informatique et Mathématiques de Lyon

L'essor des grandes architectures distribuées telles que les microservices ou le serverless ces dernières années s'accompagne d'un ensemble de défis. L'augmentation de l'activité réseau due aux communications nécessaires entre les processus peut entraîner une forte pression sur les E/5 réseau et les ressources telles que le temps CPU et l'empreinte mémoire. En outre, si les services individuels sont plus petits et plus faciles à raisonner que les monolithes gonflés, une grande application distribuée peut s'étendre sur des dizaines, des centaines ou des milliers de services fortement dépendants des communications. La probabilité de bogues ou d'erreurs de programmation simultanés augmente, de même que la difficulté d'identifier et de corriger ces bogues. Ces deux problèmes ne sont pas orthogonaux, car l'efficacité des ressources peut être optimisée par l'utilisation de langages non bloquants et asynchrones qui peuvent en retour obscurcir le flux d'exécution et le cycle de vie des différents composants. Pour relever ces défis, nous avons identifié deux approches complémentaires: la vérification du système et la conception du langage. Aujourd'hui, les types de sessions multipartites et la programmation chorégraphique sont en train d'envahir les langages de programmation courants. La programmation chorégraphique peut être considérée comme un cadre permettant de construire des systèmes sans blocage en réifiant le fonctionnement d'une application comprenant de nombreux processus en un seul objet : une chorégraphie globale. Dans la pratique, les programmeurs écrivent souvent des systèmes distribués en spécifiant le comportement des composants individuels, c'est-à-dire par le biais de chorégraphies locales. Reconstruire une chorégraphie globale cohérente à partir de ces vues locales, afin de vérifier les propriétés globales, est une tâche difficile. Cette difficulté provient en particulier du fait que les langages conçus pour exprimer des chorégraphies globales modélisent généralement la communication comme un échange de données synchrone, et que les cadres actuels ne prennent pas en charge la vérification dans des contextes asynchrones. Nous avons conçu un compilateur capable de transformer des chorégraphies locales en microservices Java en utilisant des bibliothèques réactives existantes, ainsi qu'un analyseur de chorégraphies locales capable de valider des propriétés dans des réseaux de milliers de chorégraphies locales. Même si l'analyse est effectuée sur des chorégraphies locales, la liberté de deadlock, la liberté de livelock, les branches inaccessibles sont des propriétés vérifiées globales : en tant que tel, l'analyseur a besoin d'un ensemble complet de chorégraphies locales pour raisonner sur l'ensemble de l'application. De plus, nous avons caractérisé l'analyseur en termes de complexité algorithmique et de temps de traitement en fonction de la taille et de la complexité des réseaux considérés. Notre approche est un pas vers l'unification des types de session et de la programmation chorégraphique dans un cadre unique, permettant la vérification des processus synchrones et asynchrones, ainsi que l'offre de perspectives locales et globales sur une application distribuée lorsque cela est possible. En combinant l'analyse formelle des chorégraphies locales avec des aperçus pratiques du comportement du langage en cours d'exécution, nous montrons que, même si la vérification formelle est théoriquement complexe, elle peut être rendue tractable et efficace en pratique grâce à des heuristiques, tandis que les optimisations au niveau du langage et des bibliothèques, bien que transparentes et légères, peuvent être complexes à mettre en œuvre, et produisent souvent des améliorations de performance limitées.

Simulations du comportement statique et dynamique de trains planétaires à plusieurs étages de réduction

Doctorant : Sebastian KLEIN

Laboratoire INSA : LAMCOS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures

École doctorale n°162 MEGA - Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique

Ce travail de recherche a été réalisé au Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (LaMCoS) de l'INSA de Lyon en collaboration avec SAFRAN Transmission Systems dans le but d'analyser le comportement dynamique de trains planétaires à double étage de réduction avec des mobiles présentant des géométries à voiles minces. Dans les moteurs d'avion, les trains planétaires apparaissent comme des solutions technologiques intéressantes permettant de réduire la vitesse du rotor afin de fonctionner à des régimes de vitesse plus avantageux avec des rapports de dérivation plus élevés. Les engrenages à voile mince présentent des caractéristiques dynamiques uniques qui doivent être soigneusement prises en compte lors du processus de conception afin d'éviter des surcharges dynamiques. D'un point de vue modélisation, des études antérieures ont démontré que les modèles classiques à paramètres concentrés ne convenaient pas aux géométries à voiles minces et que des simulations plus élaborées étaient nécessaires. Ce travail propose donc une stratégie de modélisation hybride de trains planétaires à double étage comprenant un solaire à double hélice, assimilé à deux cylindres rigides reliés par des poutres élastiques, une couronne rigide à denture droite, un porte-satellites modélisé par des disques rigides et des axes élastiques, et des satellites à voile minces simulés à l'aide d'éléments finis condensés. L'élasticité des dents d'engrenage est prise en compte par un modèle analytique dit de 'tranches minces' connecté aux sous-structures représentatives des corps de satellites. Les équations de mouvement sont résolues par intégration numérique pas à pas dans le temps. Dans le cas d'engrenages massifs, les résultats obtenus en conditions statiques et dynamiques par des modèles à paramètres concentrés et intégrant des sous­ structures sont en très bon accord, prouvant ainsi la fiabilité de l'approche hybride proposée. Par ailleurs, en présence d'erreurs de positionnement des satellites, les résultats numériques en termes de partage de charge entre les différents satellites sont très proches des valeurs expérimentales issues de la littérature. Dans le cas particulier de satellites double étage à voiles minces, les déflexions statiques de la jante obtenus numériquement sont susceptibles d'induire des gradients de pression selon la largeur de la dent, pouvant éventuellement conduire à des pertes de contact partielles. Il a été également montré que les différences de chargement entre les étages solaire et couronne génèrent un désalignement et une déformée de flexion du corps des satellites. Dans des conditions de fonctionnement dynamiques, le contenu modal des satellites influence notablement la réponse globale du système et peut introduire des surcharges sur les dentures à certaines vitesses critiques. Afin d'évaluer la sensibilité de satellites à voiles minces à des conditions de charge défavorables, des désalignements angulaires ont été introduit sur le solaire qui, pour les modes critiques caractérisés par des énergies de déformation de flexion élevées, génèrent des amplitudes de réponse nettement plus importantes. Enfin, les contributions de modifications de forme sur les dentures ont été étudiées et les conclusions suivantes ont été tirées: (a) des corrections en tête de dent sur l'étage couronne peuvent fortement réduire la réponse dynamique de l'ensemble et, (b) des bombés longitudinaux sur la denture solaire peuvent compenser efficacement les désalignements dans des conditions de fonctionnement statiques et dynamiques.

Phénomènes thermiques et thermoélectriques dans le silicium dopé, le titane et leur interface métal- semiconducteur

Doctorant : Juan Carlos ACOSTA ABANTO

Laboratoire INSA : CETHIL - Centre d'Énergétique et de Thermique de Lyon

École doctorale : n°162 : MEGA de Lyon (Mécanique, Énergétique, Génie civil, Acoustique)

Dans cette thèse de doctorat, le transport de chaleur et de charge dans le silicium dopé et dans le titane, ainsi qu’au niveau de leur contact métal– semi-conducteur, est étudié. Ces systèmes présentent un intérêt particulier en raison de leur pertinence pour les dispositifs microélectroniques et de la diversité des phénomènes physiques qu’ils mettent en jeu. Dans un premier temps, l’équation de transport de Boltzmann est appliquée aux phonons et aux électrons, et résolue par la méthode des ordonnées discrètes. Les résultats préliminaires montrent l'émergence des effets de transport balistique lorsque la taille du système devient comparable ou inférieure au libre parcours moyen des porteurs. D'autre part, la thermalisation mutuelle des sous-systèmes électronique et phononique lorsqu’ils interagissent est mise en évidence. L’effet d’une interface diffuse titane–silicium sur la chute de température des porteurs au niveau du contact des matériaux est également abordé. Ensuite, via la méthode 3ω, la conductivité thermique du silicium dopé au phosphore (type n) et au bore (type p) est déterminée en fonction de la température. Les résultats montrent que les concentrations de dopage inférieures à environ 10^17 cm-3 n’ont pas d’effet significatif sur la conductivité thermique, tandis qu’à 10^17 cm-3 et à 303 K, des réductions d’environ 17 % et 25 % sont observées pour le silicium de type n et p, respectivement. En collaboration avec des théoriciens, une analyse est menée afin de clarifier les mécanismes de diffusion des phonons à l’origine de cette réduction de la conductivité thermique en fonction de la température, du dopage et de la fréquence des phonons. La suite des travaux se concentre sur la caractérisation électrique et thermique les structures titane–silicium. Les mesures courant–tension et capacité–tension fournissent des paramètres clés tels que la hauteur de la barrière de Schottky, le potentiel de contact et la largeur de la zone de déplétion. Des expériences complémentaires de microscopie thermique à sonde locale (SThM) et de thermométrie infrarouge révèlent de manière systématique un échauffement global de l’échantillon sous polarisation directe. Malgré les incertitudes liées aux mesures SThM, les résultats restent qualitativement cohérents et permettent de détecter, à partir de l’analyse fréquentielle des signaux, la présence d’effets thermoélectriques dans l’échantillon étudié. En effet, la puissance associée à l’effet Peltier apparaît beaucoup plus importante (d'environ un ordre de grandeur) que la puissance de Joule. De plus, des mesures SThM réalisées sur la tranche polie (préparée par focused ion beam, FIB) d’un échantillon confirment un échauffement global et ne révèlent pas d'échauffement localisé au contact Ti–Si. Ceci est cohérent avec la grande diffusivité thermique du silicium, qui dissipe rapidement la chaleur dans le volume du substrat. Ces résultats sont également corrélés aux mesures de microscopie à sonde de Kelvin (KPFM), dans lesquelles le signal mesuré est fortement perturbé au-delà d'une certaine tension appliquée à l'échantillon, suffisante pour induire un chauffage important et des effets électrostatiques entraînant une flexion incontrôlée du levier KPFM. Ces mesures permettent également de déterminer l'évolution de la largeur de la zone de déplétion en fonction de la tension appliquée à l'échantillon, tel que les mesures capacité–tension le font. Toutefois, les valeurs mesurées par KPFM sont beaucoup plus grandes (> 10 µm) que celles obtenues par les mesures capacité–tension (quelques micromètres), suggérant que des effets de surface et de polissage FIB pourraient être à l'origine de ces différences. Dans l’ensemble, ce travail contribue à améliorer la compréhension du transport de chaleur et de charge dans les systèmes métal–semi-conducteur, en révélant des effets physiques complexes et en offrant des perspectives pour guider les études à venir.

Influence de la précipitation grossière sur les propriétés d'aciers nano-renforcés

Doctorant : Emilien GUY

Laboratoire : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : n°34 ML - Matériaux

Les aciers ODS (aciers renforcés par dispersion nanométrique d'oxydes), produits par métallurgie des poudres, sont des candidats prometteurs en tant que matériaux de gainage pour les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium. Ces matériaux renforcés par des oxydes nanométriques Y­ Ti-0, présentent ainsi une stabilité dimensionnelle sous irradiation améliorée tout en gardant une bonne tenue mécanique en température. Leur élaboration par métallurgie des poudres induit toutefois des pollutions en oxygène, azote et carbone. Dans ces matériaux, la précipitation nanométrique est primordiale pour garantir de bonnes propriétés ; toutefois, la précipitation plus grossière, notamment composée de précipités riches en carbone, la teneur en cet élément étant involontairement accrue durant les étapes d'élaboration, peut impacter les propriétés finales. Quatre nuances modèles d'aciers ODS, variant par leur teneur en chrome (9% ou 14% en masse) et carbone (teneur faible ou élevée), ont été fabriquées par métallurgie des poudres et consolidées par Compaction Isostatique à Chaud (CIC). Les caractérisations microstructurales (MEB, EBSD) ont révélé deux types de microstructures dans ces aciers ODS: bimodale (grains submicroniques et microniques) pour trois nuances, et pour la nuance restante homogène du fait de l'existence d'une transformation austénitique lors de la chauffe, ce qui permet une reformation de grains tins homogènes au refroidissement. L'analyse des précipités par DRX et MEB-EDS montre des carbures M23C6 riches en M = Cr, Fe, W présents dans les nuances ODS riches en carbone, notamment en position intergranulaire, tandis que les nuances à faible teneur en C n'en contiennent pas. Des nana-oxydes sont présents dans toutes les nuances d'après les analyses SAXS et SAT, avec un rayon d'environ 1,5 nm et une densité supérieure à 1023 m-'. Les essais mécaniques (traction, fluage, résilience, ténacité) montrent que le carbone influe négativement sur l'allongement à rupture en traction et sur la résilience, mais semble améliorer la résistance au fluage, ce qui est inattendu. L'endommagement a été caractérisé par des analyses microscopiques conventionnelles et par l'apport de techniques corrélatives comme de la traction in situ MEB couplée à de la nana-tomographie. Cette dernière a permis de mettre en évidence la présence de cavités aux abords des précipités de carbone en 3D. Ces carbures forment des réseaux complexes dans la microstructure, qui semblent améliorer les propriétés en fluage.

Commande avancée embarquée et contraintes temps réel

Doctorante : Mme Hiba HOUMSI

Laboratoire INSA : AMPERE

École doctorale : n°160 EEA - Electronique, Electrotechnique, Automatique de Lyon 

Cette thèse porte sur la mise en œuvre pratique de stratégies avancées de commande pour les moteurs synchrones à aimants permanents (PMSM). Elle se concentre sur la génération de trajectoires de références, la synthèse de lois de commande en boucle fermée et le calcul embarqué en temps réel. Le travail est motivé par la volonté de rapprocher la théorie du contrôle de la pratique industrielle, notamment dans les systèmes d'entraînement de moteurs, en intégrant des algorithmes complexes directement dans des microcontrôleurs à faible coût. Dans un premier temps, l'accent est mis sur le contrôle embarqué synthétisé directement dans le microcontrôleur, afin de permettre une commande autonome et adaptative du moteur, sans intervention extérieure. Cela est rendu possible par la conception d'un solveur d'inégalités matricielles linéaires (LMI) léger, exécuté en tâche de faible priorité parallèlement à la boucle de commande rapide. Le solveur peut recalculer ou mettre à jour la loi de commande en cours de fonctionnement, tout en utilisant très peu de ressources de calcul. Cette approche présente un intérêt pour les applications industrielles, car elle permet une adaptation en temps réel aux conditions de fonctionnement changeantes ou aux incertitudes du système, sans nécessiter de recalibrage hors ligne ni d'expertise particulière. De plus, elle rend possible le déploiement de stratégies de commande avancées dans des environnements sensibles aux coûts, où la puissance de calcul est limitée. Les résultats expérimentaux confirment la faisabilité et l'efficacité de ce cadre d'optimisation intégré. Dans un troisième temps, nous abordons le problème de la commande optimale du couple (OTC) par optimisation contrainte pour deux types de machines: les PMSM à aimants de surface (SPMSM) et les PMSM à aimants intérieurs (IPMSM). Pour le SPMSM, l'approche de Karush-Kuhn-Tucker (KKT) fournit une solution analytique pour la génération de références de courants optimaux en alimentation directe. Cette solution garantit le respect des contraintes de tension, courant, couple et vitesse. En s'appuyant sur cette base, nous considérons ensuite le problème plus complexe de l'OTC pour l'IPMSM. En raison de sa structure non convexe incluant une contrainte d'égalité non affine, une solution analytique fermée n'est pas disponible. Pour y remédier, nous reformulons le problème par un changement de variable, conduisant à une formulation convexe avec une seule variable de décision. Nous proposons une approche formelle basée sur la programmation en sommes de carrés (SoS) afin de démontrer la convexité de la formulation OTC pour un moteur donné. Cette étape garantit l'optimalité globale et permet l'utilisation de solveurs embarqués efficaces en temps réel. Enfin, nous implémentons une méthode de points intérieurs pour résoudre en temps réel le problème OTC convexe pour les IPMSM. Tout au long de la thèse, un effort constant est consacré à la validation expérimentale des algorithmes proposés sur des bancs d'essai SPMSM et IPMSM disponibles.

Étude des effets couplés de l'iode et de l'oxygène sur la corrosion sous contrainte induite par l'iode des alliages de zirconium

Doctorant : Amar LACHEKHAB

Laboratoire INSA : MATEIS - Matériaux Ingénierie et Sciences

École doctorale : n°34 ML - Matériaux

Les alliages de zirconium sont largement utilisés comme gaines de crayons combustibles en raison de leurs bonnes propriétés mécaniques, thermiques et de résistance à la corrosion. Ils assurent la première barrière de confinement des produits de fission dans les réacteurs à eau sous pression (REP). Lors des transitoires de puissance, l'expansion thermique des pastilles engendre une contrainte de traction dans la gaine, appelée Interaction Pastille-Gaine (IPG). En présence d'un environnement chimique agressif, notamment enrichi en iode issu de la fission, cette IPG peut conduire à la fissuration par corrosion sous contrainte induite par l'iode (CSC-I) d'une gaine de crayon combustible. De nombreuses études ont montré l'influence déterminante de l'iode et de l'oxygène sur la CSC-1. L'iode, très réactif, forme des iodures métalliques pouvant accélérer ou inhiber la fissuration selon les conditions. L'oxygène, bien que faiblement présent, participe aussi aux mécanismes de surface qui modifient la corrosion du zirconium. Cette thèse étudie les effets couplés de l'iode et de l'oxygène sur la CSC-I du Zircaloy-4 dans un environnement chimique représentatif des transitoires REP. Un dispositif expérimental, appelé "ligne d'iode", a été conçu pour tester des éprouvettes C-Ring sous vapeurs d'iode et d'oxygène, avec un contrôle précis des pressions partielles. Il a été optimisé pour mieux maîtriser l'environnement, permettant notamment d'imposer une pression partielle d'oxygène aussi basse que 3 Pa. L'objectif est de déterminer le seuil critique de Pl, en fonction de PO, conduisant à la rupture, et d'analyser l'influence de leur rapport sur la corrosion et la fissuration. Les résultats révèlent trois zones de comportement distinctes en fonction du rapport des pressions partielles d'iode et d'oxygène : - Un rapport élevé (5-6<Pl,/PO,), les éprouvettes rompent par fissuration par CSC-I, avec formation de canyons micrométriques perpendiculaires à la contrainte. Ces canyons résultent d'une dissolution assistée par la contrainte et/ou la déformation, produisant du Zrl4 gazeux. Les fissures de CSC-I s'amorcent au fond des canyons. La formation des canyons perturbe le comportement viscoplastique de l'éprouvette : sa réponse mécanique suit une succession de « marches d'escalier » qui est caractéristique de la formation des canyons en paroi interne de l'éprouvette, au fur et à mesure de l'essai. - Un rapport intermédiaire (3- 4<Pl,/PQ,!,5-6), les éprouvettes rompent par fissuration par CSC-1. Cette fissuration est accompagnée par l'apparition de piqûres (ou cavités) micrométriques et de nodules micrométriques. Le comportement mécanique de l'éprouvette présente un aspect viscoplastique jusqu'à la rupture par CSC-1. - Un rapport faible (Pl,/P0,<3-4), la quantité d'oxygène est suffisante pour favoriser la formation d'une couche nanométrique de zircone, assurant la passivation de la surface. Aucune fissuration par CSC-I n'est observée. L'iode dissout localement le zirconium en formant du Zrl4 gazeux, à l'origine de cavités micrométriques. Ce Zrl4 réagit ensuite avec l'oxygène excédentaire pour redéposer du Zr02 sous forme de nodules. Le comportement mécanique reste viscoplastique, avec fluage primaire et secondaire. Les observations MEB et interférométriques confirment que la nature et l'ampleur des défauts dépendent directement de la chimie locale. Une analyse thermochimique du système Zr-I-0 et une modélisation mécanique ont permis de proposer un mécanisme en étapes de la CSC-I: 1- une phase d'incubation chimique, suivie par la nucléation, croissance et coalescence de défauts de surface (piqûres, canyons), gouvernée par la valeur du rapport Pl,/PO,. 2- l'amorçage et la propagation intergranulaire de fissures de CSC-1. 3- une transition vers la propagation transgranulaire des fissures de CSC-1. 4- puis la rupture ductile finale. Ce mécanisme souligne le rôle clé de la chimie iode/oxygène dans l'amorçage et la propagation des fissures par CSC-1.
 

Adaptation membranaire chez les Archées hyperthermophiles: Rôle des têtes polaires dans la stabilité des membranes

Doctorante : Margot SARACCO

Laboratoire INSA : MAP - MICROBIOLOGIE, ADAPTATION ET PATHOGENIE

École doctorale : n°341 E2M2 - Evolution Ecosystèmes Microbiologie Modélisation

Parmi les trois domaines du vivant, les Archées se distinguent par la structure singulière de leurs lipides membranaires, constitués de deux chaînes polyisoprénoïdes liées au glycérol par des liaisons éther, contrairement aux chaînes d'acides gras estérifiées des Bactéries et des Eucaryotes. Cette composition unique confère à leurs membranes une stabilité exceptionnelle, leur permettant de survivre dans des environnements extrêmes. Malgré leur rôle central, la diversité et les voies de biosynthèse des lipides polaires archéens demeurent encore largement méconnues. Dans ce contexte, cette thèse explore l'organisation membranaire de Pyrococcus furiosus, une Archée hyperthermophile. Historiquement, sa membrane était décrite comme composée majoritairement de phosphatidylinositol-diéther (PI-DGD). Cependant, grâce à une approche combinant génétique et analyses lipidomiques, il a été démontré que le PI-DGD n'est en réalité qu'un constituant mineur de la membrane de P. furiosus, co-éluant avec deux autres lipides: le phosphatidylglucose (PGlc-DGD) et le phosphatidylmannose. Ces résultats remettent en question les annotations historiques des lipides et soulignent la nécessité de valider expérimentalement ces identifications. Ils révèlent également des erreurs d'annotation de gènes supposés impliqués dans la biosynthèse de PI-DGD. Grâce à cette approche génétique et notamment via la construction de souches mutantes de P. furiosus, une inhibition partielle de la biosynthèse du lipide majoritaire PGlc-DGD a été obtenue. Cela a permis d'identifier cinq tétraéthers portant des têtes polaires héxoses et/ou N-acétylées. Une nouvelle structure lipidique, hexaéther, a également été identifiée, combinant des chaines diéthers et tétraéthers. Le répertoire lipidique de P. furiosus comprend désormais 7 diéthers et 11 tétraéthers. En tenant compte des degrés d'insaturation, du nombre de cycles et de la diversité des têtes polaires, plus de 300 structures lipidiques sont potentiellement synthétisées, décrivant une complexité lipidique proche des Eucaryotes. Afin d'évaluer la pertinence biologique de cette diversité lipidique, des expériences in vivo et in vitro ont été réalisées. Face à une baisse de température ou à une augmentation de la salinité, P. furiosus remodèle les chaînes isoprénoïdes et les têtes polaires de ses lipides membranaires. Des ajustements du nombre de cycles dans les tétraéthers et du taux d'insaturation des diéthers ont été observés. Fait notable, la proportion de diéthers reste constante à 10 %, indépendamment des conditions, un comportement original parmi les Thermococcales. Pour en explorer la fonction, des membranes ont été reconstruites avec des proportions variables de diéthers et tétraéthers. L'analyse par diffraction de neutrons a révélé que les membranes mixtes présentent une stabilité supérieure à celles constituées d'un seul type de lipide, illustrant la complémentarité fonctionnelle entre les chaînes flexibles des diéthers et les structures rigides des tétraéthers. Au-delà de la structure des chaînes isoprénoïdes, les têtes polaires jouent également un rôle crucial dans le comportement membranaire. L'acétylation des hexoses favorise la stabilité membranaire, tandis que des modifications de la composition en hexose modulent les propriétés membranaires, probablement via des variations de leur capacité à former des liaisons hydrogène. Ces observations suggèrent que la nature des têtes polaires est un facteur clé, mais encore sous-estimé, de l'adaptation membranaire chez les Archées. En conclusion, cette thèse met en lumière le rôle central de la diversité lipidique dans l'adaptation et la stabilité des membranes archéennes. Elle souligne l'importance des têtes polaires dans l'organisation et la résilience membranaire, et fournit un cadre solide pour de futures recherches biochimiques, biophysiques et biotechnologiques, notamment dans le développement de membranes bio-inspirées pour la biologie de synthèse.