Thèse Etude Expérimental d'Un Caloduc Oscillant Miniature Plat pour des Applications Cryogéniques H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Image, Cosmos et Simulation Laboratoire de recherche : DRF-Institut de Recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) Direction de la thèse : Bertrand BAUDOUY ORCID 000000025253769X Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-12-31T23:59:59 Cette thèse de doctorat a pour objectif d'étudier expérimentalement les performances thermiques de caloducs pulsés cryogéniques (PHP) à plaques planes fonctionnant à l'hélium (4 K) et au néon (27 K). Les travaux débuteront par la conception thermique des PHP, sur la base d'une analyse approfondie de la littérature concernant les paramètres géométriques et physiques influençant leurs performances (diamètre hydraulique, dimensions des différentes sections, matériau, nombre et géométrie des canaux, etc.). Cette étude évaluera dans quelle mesure les connaissances acquises à température ambiante peuvent être transposées aux conditions cryogéniques. La deuxième étape sera consacrée à la fabrication de PHP à plaques planes, dont la fabrication est plus complexe que celle des configurations tubulaires. En fonction de la conception choisie, des procédés conventionnels ou des techniques de fabrication additive pourront être utilisés. Enfin, les prototypes feront l'objet d'une caractérisation expérimentale sur une installation d'essai adaptée afin de déterminer leurs performances thermohydrauliques. Les essais comprendront des mesures localisées de température et de pression à l'intérieur des canaux, sans perturber l'écoulement, et seront menés jusqu'à la limite de capacité du réfrigérateur cryogénique (source de froid). A l'Irfu, seuls les caloducs cryogéniques de type tubulaire ont été étudiés à ce jour. Bien que ceux-ci soient fabriqués à partir de tubes capillaires en acier inoxydable et soient relativement faciles à construire, il existe une limite mécanique quant au rayon de courbure minimal des coudes en U des PHP. Cela impose à son tour une restriction sur le nombre de tubes parallèles pouvant être disposés dans un espace donné, ce qui rend le type tubulaire encombrant lorsqu'il doit présenter des performances thermiques indépendantes de l'orientation, comme dans les applications spatiales. Un autre type de PHP largement étudié avec des fluides à température ambiante est le modèle à plaque plate [5] (cf. fig. 2). Au lieu de tubes, il est composé d'une plaque métallique plate gravée de canaux sinueux rectangulaires, carrés ou semi-circulaires. Sa forme plate extérieure permet d'assurer un bon contact thermique avec des sources de chaleur et des dissipateurs thermiques à surface plane. Plusieurs applications dans le domaine spatial, le refroidissement de dispositifs électroniques et la gestion thermique des batteries avec des fluides non cryogéniques ont déjà été envisagées. Cependant, les recherches menées avec des fluides cryogéniques sont encore rares : trois groupes de recherche utilisent l'azote et un seul le néon et l'hydrogène. Cela met en évidence un domaine de recherche inexploré dans le domaine des PHP cryogéniques. Grâce à l'expertise du CEA en matière de PHP de type tubulaire, celle-ci peut être étendue au type à plaque plane. Cela ouvrira de nouvelles perspectives au CEA pour proposer des solutions innovantes de refroidissement diphasique, notamment dans les applications cryogéniques spatiales, l'électronique supraconductrice et l'informatique quantique, pour n'en citer que quelques-unes L'objectif de cette thèse de doctorat est d'étudier expérimentalement les performances thermiques des PHP cryogéniques à plaques plates utilisant l'hélium (4 K) et le néon (27 K). La première étape consistera à concevoir thermiquement les PHP. Les PHP, qu'ils soient de type tubulaire ou à plaques, dépendent de plusieurs paramètres tels que le diamètre hydraulique du tube capillaire, le matériau et la longueur du condenseur, de l'évaporateur et de la partie adiabatique, le nombre de canaux parallèles et la forme de leur section transversale - cette liste n'est pas exhaustive.Une analyse documentaire approfondie devra être menée afin de comprendre l'effet de ces paramètres dimensionnels sur les performances thermiques des PHP à plaques planes à température ambiante. Sur cette base, il faudra déterminer de manière logique si les conclusions peuvent être extrapolées ou non à un environnement cryogénique. L'étape suivante consisterait à fabriquer les PHP cryogéniques à plaques planes. La fabrication de ces PHP est plus complexe que celle des PHP tubulaires. En fonction de la conception des PHP, des techniques traditionnelles ou des technologies récentes telles que la fabrication additive pourraient être utilisées. Une fois réalisés, les PHP seront ensuite testés expérimentalement afin de déterminer leurs caractéristiques thermohydrauliques. Une installation existante sera modifiée pour permettre les essais des PHP conçus. Outre l'évolution de la température, il est prévu de réaliser des mesures de pression localisées à l'intérieur des canaux des PHP sans perturber l'écoulement. Les PHP seront testés jusqu'à la limite de la capacité de refroidissement du cryo-réfrigérateur (source de froid). Mesures expérimentales à basse température (Température, pression, débit,...)Cryostat basse température (Hélium, néon)

Le candidat doit être titulaire d'un master, d'un diplôme d'ingénieur ou d'un titre équivalent dans le domaine de la mécanique des fluides et du transfert thermique. Des connaissances en conception thermique et en écoulement de fluides diphasiques sont souhaitables. Une maîtrise des systèmes d'acquisition de données expérimentales (LabView, etc.) et des compétences en programmation (Python, etc.) pour l'analyse des données constitue un atout. Une connaissance de la cryogénie n'est pas nécessaire. Une vocation intrinsèque pour la recherche et une aptitude à mener des expériences sont indispensables. Les langues de travail seront le français et l'anglais.

• LabVIEW
• Python
• Programmation
• Anglais
• Analyse de données
• Mécanique des fluides
• Français