Soutenances autorisées pour l'ED « École Doctorale Physique, Sciences de l'Ingénieur, Matériaux, Énergie »
(ED 591 PSIME)
Liste des soutenances actuelles 23
Ρrοductiοn phοtοcatalytique de l’hydrοgène à partir de l’acide fοrmique sοus lumière visible : Ρhοtοcatalyseurs à base d’οxyde de Cuivre et de Fer
Doctorant·e
ABDELLI Hanen
Direction de thèse
EL ROZ MOHAMAD (Directeur·trice de thèse)
CHTOUROU RADHOUANE (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
04/07/2023 à 10:30
Lieu de la soutenance
Faculté des Sciences de Tunis, Campus Universitaire El-Manar, 2092 El Manar Tunis, Tunisie
Rapporteurs de la thèse
HICHEM HAMZAOUI AHMED CNRSM
HMADEH MOHAMAD Université américaine de Beyrouth
Membres du jurys
AL LAKISS LOUWANDA,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
CHTOUROU RADHOUANE,
,
Université de Tunis - Tunisie
EL ROZ MOHAMAD,
,
ENSICAEN
HICHEM HAMZAOUI AHMED,
,
CNRSM
HMADEH MOHAMAD,
,
Université américaine de Beyrouth
Résumé
Le développement technologique visant à construire une société utilisant l'hydrogène comme moyen d'énergie, avec une faible charge environnementale et un rendement élevé, est nécessaire de toute urgence. Toutefois, l'hydrogène étant inflammable, les problèmes de sécurité liés à son stockage et à son transport limitent son utilisation en tant que combustible. L’utilisation des transporteurs organiques liquides d'hydrogène (TOLHs, ou LOHCs pour Liquid Organic Hydrogen Carriers) présente une alternative très prometteuse. Ils permettent de stocker et de transporter efficacement l'hydrogène avec une faible densité énergétique et volumétrique. A cet égard, l'acide formique est reconnu comme l'un des transporteurs d'hydrogène les plus prometteurs. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes principalement intéressés à la production photocatalytique de l’hydrogène à partir de l’acide formique sous lumière visible en utilisant des photocatalyseurs à base d’oxyde de Cuivre et de Fer. Ces photocatalyseurs ont montré une très bonne activité et sélectivité pour la déshydrogénation de l’acide formique sous lumière visible à température ambiante et sous flux continu.
Les résultats obtenus dans cette thèse donnent non seulement un aperçu des facteurs affectant la réaction mais aussi des perspectives pour améliorer à la fois l’activité des photocatalyseurs et la sélectivité de la déshydrogénation. Par conséquent, les catalyseurs à base de cuivre, connus pour leur stabilité relativement faible dans les procédés en phase liquide, peuvent bien être considérés comme des photocatalyseurs très prometteurs spécifiquement en phase gazeuse/vapeur. Les connaissances fondamentales résultant de ce travail devraient peut avoir un impact significatif sur le développement durable et rentable de la production hautement sélective d'hydrogène à partir de l'acide formique dans des conditions douces.
Abstract
Technological development aimed at building society expending hydrogen as an energy source, with low environmental impact and high efficiency, is urgently needed. However, as hydrogen is flammable, safety issues linked to its storage and transport limit its use as a fuel. The use of liquid organic hydrogen carriers (LOHCs) presents a very promising alternative. They enable an efficient storage and transport of hydrogen at low energy and volumetric densities. In this respect, formic acid is recognized as one of the most promising LOHC.
In this thesis, we focused on the photocatalytic production of hydrogen from formic acid, using copper-iron oxide photocatalysts. These photocatalysts showed very good activity and selectivity for the dehydrogenation of formic acid under visible light at room temperature and under continuous flow. The results obtained in this thesis not only provide insight into the factors affecting the reaction, but also offer prospects for improving both photocatalyst activity and dehydrogenation selectivity. As a result, copper-based catalysts, known for their relatively low stability in liquid-phase processes, may well be considered highly promising photocatalysts specifically in the gas/vapor phase. The fundamental insights resulting from this work should have a significant impact on the sustainable and cost-effective development of highly selective hydrogen production from formic acid under mild conditions.
CESSOU ARMELLE (Directeur·trice de thèse)
LECORDIER BERTRAND (Co-encadrant·e de thèse)
VAREA EMILIEN (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
21/02/2024 à 14:00
Lieu de la soutenance
Laboratoire CORIA
Rapporteurs de la thèse
CHATELLIER LUDOVIC UNIVERSITE POITIERS
MAZELLIER NICOLAS Université d'Orléans
Membres du jurys
CESSOU ARMELLE,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
CHATELLIER LUDOVIC,
,
UNIVERSITE POITIERS
DANAILA LUMINITA,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
FOUCAUT JEAN-MARC,
,
ECOLE CENTRALE LILLE
LECORDIER BERTRAND,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
MAZELLIER NICOLAS,
,
Université d'Orléans
PERRET GAELE,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
Résumé
L’objectif principal de cette thèse est d’évaluer quantitativement le comportement dynamique
de l’écoulement d’air turbulent autour d’un profil aérodynamique NACA en
fonction de l’écoulement en amont. L’écoulement en amont est constitué d’une famille
de structures cohérentes, chacune ayant ses propres échelles temporelles et spatiales. En
outre, cet écoulement en amont peut inclure un cisaillement moyen dû à une couche limite
à grande échelle. Ces situations se rencontrent couramment dans les parcs d’éoliennes et de
turbines marines, où le sillage généré par une turbine devient l’écoulement en amont de la
suivante, et où la couche limite atmosphérique peut influencer la dynamique de l’écoulement
de l’air du profil aérodynamique. La recherche aérodynamique sur les éoliennes s’est principalement
concentrée sur la réponse générale des profils aérodynamiques et sur l’écoulement
en aval. Cependant, les profils aérodynamiques ne sont pas encore pris en compte dans un
écoulement en amont avec la présence d’une famille de structures cohérentes. Cette étude
prend en compte les aspects spatiaux et temporels, ce qui est crucial pour comprendre
comment l’énergie cinétique transportée par ces mouvements cohérents est capturée dans
le sillage. La nouveauté du projet est de fournir une analyse complémentaire et plus
détaillée des interactions entre le profil aérodynamique et l’écoulement en amont, basée sur
l’analyse de l’intermittence des conditions en amont. Cela permet de mieux comprendre la
réponse dynamique de l’aile en aval et la distribution de l’énergie cinétique sur l’aile. Pour
atteindre cet objectif, les distributions de pression (structures cohérentes) doivent être
moyennées en phase avec un conditionnement basé sur la dynamique du flux en amont.
Ce type d’analyse représente une nouvelle approche et nécessite le développement de
méthodes spécialisées à appliquer à des cas complexes. L’un des principaux domaines
d’investigation du projet est l’étude de l’énergie cinétique turbulente totale (TKE) lorsque
les paquets de structures cohérentes en amont interagissent avec le profil aérodynamique en
aval. En outre, d’autres recherches peuvent être menées sur l’énergie cinétique turbulente,
en considérant les interactions entre les différentes composantes des fluctuations, telles
que les interactions entre le mouvement cohérent et le mouvement aléatoire. Ce travail de
thèse est intégré dans le cadre du projet DYNEOL (ANR-17-CE06-0020) qui est financé
par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR). Le projet est une recherche collaborative
associant quatre laboratoires français.
Abstract
The primary objective of the thesis is to quantitatively assess the dynamic behavior of
turbulent airflow around a NACA airfoil as a function of the upstream flow. The upstream
flow consists of a family of coherent structures, each with its own distinct temporal and
spatial scales. Additionally, this upstream flow may include a mean shear due to a largescale
boundary layer. These situations are commonly encountered in wind and marine
turbine farms, where the wake generated by one turbine becomes the upstream flow for
the next one, and where the atmospheric boundary layer can influence the dynamics of
the airfoil’s airflow. Aerodynamic research on wind turbines has primarily focused on the
general response of airfoils, and the flow downstream. However, airfoils are not considered
yet in an upstream flow with the presence of a family of coherent structures. This study
takes into account the spatial and temporal aspects, which is crucial for understanding
how efficiently the kinetic energy carried by these coherent motions is captured within
the wake. The novelty of the project is to provide a complementary and more detailed
analysis of the airfoil-upstream flow interactions based on the analysis of the intermittency
of the upstream conditions. This helps to gain insights into the dynamic response of
the downstream airfoil and the distribution of kinetic energy over the airfoil. To achieve
this goal, pressure distributions (coherent structures) must be phase-averaged with a
conditioning based on the dynamics of the upstream flow. This type of analysis represents
a novel approach and requires the development of specialized methods to be applied to
such complex cases. One of the key areas of investigation within the project is the study
of the total turbulent kinetic energy (TKE) when the upstream coherent structure packets
interact with the downstream airfoil. Additionally, further research can be involved into
turbulent kinetic energy, considering the interactions between different components of
fluctuations, such as the interactions between coherent and random motion. This thesis
work is integrated in the framework of DYNEOL (ANR-17-CE06-0020) project that is
funded by the French National Agency of Research (ANR). The project is a collaborative
research involving four French laboratories, including the CORIA laboratory.
Structuratiοn οf SrΤiΟ3 surfaces and ΜοS2 2D material induced by swift heavy iοn irradiatiοn at grazing incidence
Doctorant·e
RAHALI Radia
Direction de thèse
LEBIUS HENNING (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
05/02/2024 à 09:15
Lieu de la soutenance
Université de Caen Normandie - salle des thèses- Bâtiment Science 3 - Campus 2 - Côte de nacre Boulevard Maréchal Juin 14032 Caen Cedex 5.
La modification des matériaux a permis de faire des progrès significatifs dans les domaines technologiques en permettant un contrôle et une manipulation précis des propriétés des matériaux. Pour garantir le succès des applications, il est essentiel de disposer de techniques permettant de contrôler la taille, la forme et la morphologie des structures créées. Cette thèse explore l'utilisation d'ions lourds rapides (SHI) pour créer des nano- et microstructures sur les surfaces du titanate de strontium (SrTiO3) et du disulfure de molybdène (MoS2) avec une géométrie d'incidence rasante. Les résultats démontrent que l'irradiation aux ions lourds rapides peut induire diverses modifications de surface, telles que chaines de nanobosses, des cratères, des structures ondulatoires et de l'amorphisation. La thèse démontre qu'en ajustant la fluence et l'angle d'incidence du faisceau d'ions, des structures d'onde périodiques peuvent être formées sur la surface de SrTiO3. Ces structures peuvent avoir des tailles différentes, avec des tranchées plus ou moins prononcées. Cette structure peut être utilisée pour des dépôts de couches de matériaux bidimensionnels et obtenir des hétéro-structures avec des interfaces bien définies. Les résultats démontrent également que l'irradiation peut induire des pliages dans des échantillons monocouches de MoS2. L'angle d'incidence du faisceau d'ions et le substrat utilisé peuvent contrôler les défauts. Le choix du substrat peut également influencer la densité et la longueur des plis. Il est montré que l'utilisation de SrTiO3 comme substrat permet la création de plis de longueurs variables sans la nécessité de conditions d'orientation cristallographique spécifiques.
Abstract
Materials modification has enabled significant advancements in the technological fields by allowing for precise control and manipulation of material properties. To ensure successful applications, it is crucial to have techniques that offer control over the size, shape, and morphology of the structures created. This thesis explores the use of swift heavy ions (SHI) to create nano- and microstructures on the surfaces of strontium titanate (SrTiO3) and molybdenum disulphide (MoS2) under grazing incidence geometry. The results show that SHI irradiation can induce various surface modifications, such as elongated surface defects, wave-like structures, and amorphization. This research demonstrates that by adjusting the fluence and angle of incidence of the ion beam, periodic wave-like structures can be formed on the surface of SrTiO3. These structures can be deepened to obtain more pronounced valley, which can be used to directly grow two-dimensional materials and obtain heterostructures with well-defined interfaces. The results also demonstrates that SHI irradiation can induce foldings in MoS2 samples. The angle of incidence of the ion beam and the substrate used can control the defects. The choice of substrate can also influence folds density and length. It is shown that using SrTiO3 as a substrate allows the folding with variable lengths without the need for specific crystallographic orientation conditions.
Single biοmass pellet degradatiοn during cοmbustiοn: influence οf raw elemental cοmpοsitiοn determined by LΙBS
Doctorant·e
ACEVEDO TURBI PAHOLA ANNETTE
Direction de thèse
COPPALLE ALEXIS (Directeur·trice de thèse)
LACOUR CORINE (Co-encadrant·e de thèse)
MOREL VINCENT (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
31/01/2024 à 13:30
Lieu de la soutenance
Salle de conférence du CORIA
Rapporteurs de la thèse
MOTTO-ROS VINCENT Université Claude Bernard Lyon 1
TSCHAMBER VALERIE Université de Haute Alsace
Membres du jurys
COPPALLE ALEXIS,
,
INSA de Rouen Normandie
HONORE DAVID,
,
INSA de Rouen Normandie
LACOUR CORINE,
,
INSA de Rouen Normandie
MOREL VINCENT,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
MORIN CELINE,
,
Université Polytechnique Hauts-de-France
MOTTO-ROS VINCENT,
,
Université Claude Bernard Lyon 1
ROGAUME YANN,
,
Université de Lorraine
TSCHAMBER VALERIE,
,
Université de Haute Alsace
Résumé
La demande mondiale croissante d’énergie et les préoccupations environnementales croissantes ont propulsé l’exploration d’alternatives durables aux sources de carburant conventionnelles. La biomasse se présente comme une ressource renouvelable prometteuse, capable d'atténuer la crise énergétique mondiale tout en garantissant la durabilité environnementale. Cette étude se penche sur le comportement de combustion de trois biomasses distinctes : le bois d'origine forestière, le miscanthus herbacé et la paille d'orge résiduelle agricole. En examinant le comportement des particules individuelles pendant la combustion, la recherche cherche à élucider les processus fondamentaux régissant la conversion de la biomasse en énergie et à comprendre les comportements de combustion uniques des différentes sources de biomasse. La complexité de la combustion de la biomasse, influencée par des facteurs tels que la composition chimique, la teneur en éléments et les étapes de combustion, est au cœur de l'enquête. Les premiers résultats mettent en évidence les effets catalytiques potentiels d’éléments mineurs comme le sodium (Na) et le potassium (K) sur le comportement de combustion, ce qui nécessite des études approfondies pour comprendre pleinement leur influence. Grâce à une caractérisation complète, l'étude identifie trois étapes critiques de combustion des particules de biomasse : la perte d'humidité, la dévolatilisation et l'oxydation du charbon, révélant des distinctions significatives dans les points d'inflammation entre les sources de biomasse étudiées. La thèse vise à contribuer de manière significative à la compréhension de la production d'énergie basée sur la biomasse et de ses implications environnementales, en fournissant une base pour les progrès futurs dans l'utilisation de la biomasse, la production d'énergie et les pratiques durables.
Abstract
The escalating global demand for energy and mounting environmental concerns have propelled the exploration of sustainable alternatives to conventional fuel sources. Biomass stands out as a promising renewable resource capable of alleviating the worldwide energy crisis while addressing environmental sustainability. This study delves into the combustion behavior of three distinct biomass: forest-derived wood, herbaceous miscanthus, and agricultural residue barley straw. By scrutinizing individual particle behavior during combustion, the research seeks to unravel the fundamental processes governing biomass conversion into energy and understand the unique combustion behaviors of different biomass sources. The complexity of biomass combustion, influenced by factors like chemical composition, elemental content, and combustion stages, lies at the heart of the investigation. Initial findings highlight potential catalytic effects of minor elements like sodium (Na) and potassium (K) on combustion behavior, prompting the need for in-depth studies to fully comprehend their influence. Through comprehensive characterization, the study identifies three critical combustion stages for biomass particles: humidity loss, devolatilization, and char oxidation, revealing significant distinctions in ignition points among the investigated biomass sources. The thesis aims to significantly contribute to understanding biomass-based energy generation and its environmental implications, providing a foundation for future advancements in biomass utilization, energy production, and sustainable practices.
La compréhension de la manière dont la chimie de surface, la composition des matériaux et les conditions de dépôt affectent la fonction cellulaire est cruciale pour la création de substrats en biomédecine et pour les prothèses orthopédiques. Cette thèse examine l'impact des films minces d'oxydes métalliques sur le comportement des cellules humaines et bactériennes, en se concentrant sur VOx, CuTiO, Al2O3, ZnO et TiO2 en tant que substrats. Grâce à la technique de dépôt laser pulsé (PLD), nous avons obtenu une rugosité de surface de 0,1 à 0,9 nm et évalué les caractéristiques hydrophiles de tous les films. Cela garantit des paramètres de recherche idéaux pour l'adhérence cellulaire.
Notre recherche initiale indique que VOx adhère et favorise la prolifération des cellules souches mésenchymateuses dérivées de la moelle osseuse humaine (hBMMSCs) lorsqu'il est déposé à 400°C. De plus, les revêtements VOx ont favorisé la chondrogénèse sans avoir d'effet sur la différenciation adipogénique et ostéogénique. Par ailleurs, les films Cu0,75Ti0,25O2 ont été testés pour leurs caractéristiques antibactériennes, montrant une diminution de 20 % de la prolifération bactérienne, indiquant un potentiel d'inhibition de la croissance des biofilms.
Après avoir examiné la biocompatibilité des films VOx et CuTiO, nous avons entrepris une investigation plus approfondie, incluant les cellules cancéreuses et l'inhibition du développement cellulaire sur d'autres films d'oxydes métalliques. À cette fin, nous avons utilisé des films minces composés d'oxydes binaires tels que ZnO, Al2O3, CuO, VOx et TiO2 pour étudier le comportement des cellules cancéreuses, produisant des résultats divers. TiO2 et Al2O3 ont amélioré l'adhérence et la prolifération à des niveaux équivalents ou supérieurs à ceux observés sur un support en polyéthylène téréphtalate (PET) classique. Cependant, CuO et ZnO ont pu éliminer les cellules SKOV3 présentes dans le cancer de l'ovaire. Cette recherche approfondie démontre les réponses biologiques complexes et variées aux revêtements minces composés d'oxydes métalliques, renforçant ainsi notre compréhension de l'impact de ces films sur différents types cellulaires, soulignant l'importance du choix des matériaux en recherche biomédicale.
Abstract
Understanding how surface chemistry, material composition, and deposition conditions affect cellular function is crucial for building substrates for bio medicine and orthopedic
prostheses. This thesis examines the impact of metal oxide thin films on human and bacterial cell behavior, focusing on VOx, CuTiO, Al2O3, ZnO, and TiO2 as substrates. With Pulsed Laser Deposition (PLD), we achieved 0.1-0.9 nm surface roughness and evaluated all films’ hydrophilic characteristics. This ensures ideal cell adhesion research settings. VOx adheres to and promotes the proliferation of human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (hBMMSCs) when deposited at 400°C, according to our initial research. Additionally, VOx coatings promoted chondrogenesis while having no effect on adipogenic and osteogenic differentiation. furthermore, Cu0.75Ti0.25O2 films were tested for antibacterial characteristics. A decrease of 20% in bacterial proliferation indicates that these coatings have the potential to inhibit the growth of biofilms. Following our examination of the bio-compatibility of VOx and CuTiO films, we proceeded to conduct a more in-depth investigation including cancer cells and the inhibition of cell development on other metal oxide films. For this purpose, we employed thin films composed of binary oxides such as ZnO, Al2O3, CuO, VOx, and TiO2 to investigate the behavior of cancer cells, yielding diverse outcomes. TiO2 and Al2O3 enhanced adhesion and proliferation to levels that were equivalent to or higher than those observed on regular polyethylene terephthalate (PET) support. However, CuO and ZnO were able to eradicate SKOV3 cells that were seen in ovarian cancer. This extensive investigation demonstrates the intricate and varied biological responses to thin coatings composed of metal oxides. The findings augment our comprehension of the impact of oxide thin films on various cell types, underscoring the significance of material choice in biomedical research.
Οn the stοchastic respοnse οf rοtοr-blade mοdels with Flοquet mοdal theοry: applicatiοns tο time-dependent reliability οf tidal turbine blades
BLANZE CLAUDE Conservatoire National des Arts et Métiers, Paris
JACQUELIN ERIC Université Claude Bernard Lyon 1
Membres du jurys
BLANZE CLAUDE,
,
Conservatoire National des Arts et Métiers, Paris
DE QUEIROZ LIMA ROBERTA,
,
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
GERMAIN GREGORY,
,
Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer
JACQUELIN ERIC,
,
Université Claude Bernard Lyon 1
PAGNACCO Emmanuel,
,
INSA de Rouen Normandie
RIXEN DANIEL JEAN,
,
Technische Universität München, Germany
Résumé
Le sujet d'étude est la réponse d’un système mécanique déterministe en rotation et soumis à des sollicitations stochastiques. Pour cela, un modèle mécano-probabiliste est développé, résultant de la combinaison de deux éléments : le système mécanique au comportement dit non-standard, et les sollicitations, représentées par un champ stochastique corrélé. L'application vise l'analyse fiabiliste d’une hydrolienne, décrite par un modèle mécanique d’ordre réduit. Plusieurs méthodes sont présentées, comparées et leurs limitations sont mises en évidence. Les résultats obtenus sont contrastés avec ceux de la bibliographie. En particulier, l’aspect innovant se trouve dans le type de quantité mécanique modélisée, le traitement et l'interprétation des quantités modales, et le type de processus stochastique considéré comme sollicitation.
Plus précisément, le modèle dynamique développé décrit une classe de systèmes mécaniques de type rotor-pale. Il a été construit par une combinaison judicieuse de résultats des domaines de l'éolien, l'hydrolien, la dynamique des rotors et des vibrations mécaniques. La formulation lagrangienne de la mécanique analytique est utilisée pour obtenir les équations du système dynamique. L'assemblage obtenu avec des composants élastiques linéaires, introduits avec leur comportement modal, produit des termes instationnaires, résultant dans des équations différentielles ordinaires à coefficients périodiques.
Pour l'analyse de ce problème mécanique déterministe, l’analyse modale numérique traditionnelle est ici étendue grâce à la théorie de Floquet. La réponse du système est formulée en termes des exposants caractéristiques du système et des vecteurs propres de Floquet, ou vecteurs propres périodiques, permettant une représentation modale de la matrice de transition de Floquet. Diverses méthodes peuvent alors être appliquées pour l'analyse modale du système et on propose une nouvelle méthode basée sur la représentation temps-fréquence grâce aux ondelettes périodiques généralisées.
Pour considérer les sollicitations aléatoires instationnaires et non-gaussiennes, on utilise une écriture innovante pour la propagation des moments. L’avantage de cette technique vient de l’aspect pratique et systématique des développements, ce qui est particulièrement avantageux lorsqu'elle est appliquée à des champs spatio-temporels instationnaires. En combinant cette technique avec une méthode d’estimation de la densité de probabilité basée sur le principe d’entropie maximale, nous arrivons à l’estimation de la distribution des valeurs extrêmes de la réponse cherchée en considérant le problème de dépassement d’un seuil par ce processus instationnaire, permettant ainsi la résolution du problème posé en termes de fiabilité dépendante du temps.
Abstract
The response of a deterministic rotating mechanical system under stochastic excitation is studied. A mechanical-probabilistic model is developed to combine the relevant characteristics of both aspects of the study: the behavior of this non-standard class of mechanical system and the random properties of correlated stochastic fields describing load processes. The results are applied to a reliability analysis of a reduced order model of a tidal turbine. Semi-analytic and empirical ( in the Monte-Carlo simulation sense) results are obtained, compared and contrasted. The results are framed with respect to the existing literature, and it is found that they provide an innovative treatment of the problem, in terms of the dynamical choices reflected in the model, in the presentation and interpretation of the modal aspects of the system, and in the type of stochastic inputs considered.
We develop a dynamical model describing a broad class of mechanical system that models a rotor-blade structure. The model is informed by careful consideration of previous results, with the aim of constructing a reduced model that captures essential characteristics of the vibratory behavior of the structure. Lagrangian formalism is utilized to obtain the equations of motion. The presence of elastic components, which are discretized in a modal way, results in a system of ordinary differential equations with periodic coefficients.
The Floquet theory of Linear time-periodic systems is applied on the deterministic dynamical model to synthesize an extension of traditional modal analysis to systems with periodic coefficients. The response of the system is formulated in terms of Floquet exponents and the associated Floquet periodic eigenvectors, from which the Floquet State Transition Matrix can be obtained. Several methods are applied to the modal study of the system, and a new time-frequency approach is proposed based on PGHW wavelets and its associated scalogram.
Using an innovative notation to describe probabilistic moments of stochastic quantities, a moment propagation scheme is presented and exploited. The advantages of the treatment, particularly in the case of spatio-temporal stochastic fields, is in its applicability and systematic structure of development. This moment propagation strategy is coupled with a maximum entropy formulation to reconstruct the probability density function of the response and obtain important descriptors of the response, such as the Extreme Value Distribution.
The moment propagation technique presented is applied to nonstationary processes. The results from Modal Floquet theory are integrated into this analysis. The problem of crossings of a certain threshold is considered for this type of nonstationary stochastic process. Their response is shown to yield a time-dependent reliability problem, which is resolved using the estimated EVD and then by numerical simulation
SAVAJOLS HERVÉ (Directeur·trice de thèse)
LECESNE NATHALIE (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
21/12/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance
GANIL
Rapporteurs de la thèse
EVEN JULIA GRONINGEN - UNIVERSITY OF GRONINGEN
MARSH BRUCE Chercheur HDR CERN
Membres du jurys
BLANK BERTRAM,
,
UNIVERSITE BORDEAUX 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
EVEN JULIA,
,
GRONINGEN - UNIVERSITY OF GRONINGEN
LECESNE NATHALIE,
,
14 GANIL de CAEN
LIENARD Etienne,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
MARSH BRUCE,
Chercheur HDR,
CERN
SAVAJOLS HERVÉ,
,
14 GANIL de CAEN
Résumé
La Ligne Basse Energie du Super Separator Spectrometer (S3-LEB) est un dispositif expérimental qui a pour objectif de produire des faisceaux d'ions radioactifs de basse énergie dans le cadre de l'installation GANIL-SPIRAL2. Ce travail de thèse traite des premiers résultats hors ligne de S3-LEB incluant les premières mesures de spectroscopie laser dans la cellule à gaz et dans le jet gazeux supersonique, la détermination de l'efficacité de transport des ions produits par ionisation laser résonante, depuis la cellule à gaz à travers la chaîne RFQ, et les mesures de temps de vol avec le spectromètre de masse PILGRIM. Les mesures ont été effectuées en utilisant de l'erbium, introduit par évaporation à partir d'un filament chauffé dans l'environnement gazeux. Les résultats de spectroscopie laser présentés comprennent une caractérisation de l'élargissement de la largeur spectrale due à la pression dans la cellule gazeuse, la validation du principe des mesures du décalage isotopique et de la structure hyperfine dans le jet gazeux. Ce travail démontre le potentiel unique de cette installation pour mener à bien les futures expériences en ligne. L'ionisation et la spectroscopie laser hors ligne de l'uranium et de l'américium de la série des actinides ont également été abordées. Ce travail de thèse comprend également des développements techniques tels que la mise en œuvre des systèmes laser en titane saphir et la construction d’un banc d'essai dédié aux tests des fenêtres d'entrées pour S3-LEB. Un système laser à faisceau continu pompé par diode a été construit pour une application de spectroscopie laser à haute résolution. Les mesures de spectroscopie laser de l'américium effectuées à RISIKO montrent le potentiel d'un tel système laser pour effectuer des mesures à haute résolution dans les actinides.
Abstract
The Super Separator Spectrometer-Low Energy Branch (S3-LEB) is a low-energy radioactive ion beam experimental setup under commissioning as part of the GANIL-SPIRAL2 facility. In this thesis work, the off-line commissioning of the S3-LEB setup, including first laser spectroscopy measurements in both the gas cell and the supersonic gas jet, the determination of the transport efficiency of laser ions from the gas cell through the RFQ chain, and time-of-flight measurements with the multi-reflection time-of-flight mass spectrometer PILGRIM are discussed. The measurements were performed using erbium, introduced by evaporation from a heated filament in the gas environment. The reported laser spectroscopy results include a characterization of the pressure broadening in the gas cell and proof-of principle isotope shift and hyperfine-structure measurements. This work proves the potential of the setup to conduct the future online tests, where erbium is chosen as the first case for online commissioning. Offline laser ionization and spectroscopy of uranium and americium from the actinide series have been discussed. This thesis work also includes technical developments such as the implementation of the titanium sapphire laser systems and a dedicated entrance window test bench for the S3-LEB. A continuous wave diode-pumped laser system has been built for high-resolution laser spectroscopy application. Americium laser spectroscopy measurements at RISIKO present the potential of such a laser system in performing high-resolution measurements in actinides.
Etude du cοmpοrtement au feu d'assemblages titane-cοmpοsite pοur l'aérοnautique
Doctorant·e
VICTOR CLEMENT
Direction de thèse
COPPALLE ALEXIS (Directeur·trice de thèse)
VIEILLE BENOIT (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
20/12/2023 à 09:30
Lieu de la soutenance
CORIA
Salle de conférence du Laboratoire CORIA
Avenue de l'Université
76801 Saint-Etienne-du-Rouvray
Rapporteurs de la thèse
BOULET PASCAL Université de Lorraine
JACQUEMIN FRÉDÉRIC Nantes Université
Le développement d’avions toujours plus légers avec une utilisation accrue de pièces composites à matrice polymère renforcée par des fibres de carbone soulève plusieurs questions concernant la sécurité à bord, notamment en matière de comportement des matériaux et des structures exposés au feu. En cas d'incendie dans l’environnement moteur d’un avion, les matériaux constituants les aérostructures sont soumis à des températures élevées et doivent répondre à des exigences de sécurité. Les composites à matrice organique ont un comportement thermique, chimique et mécanique très complexe qui, lorsqu'ils sont associés à des pièces métalliques très chaudes, peuvent remettre en question la capacité coupe-feu de ces structures. Ainsi, l’ambition majeure de ces travaux de thèse est de mieux comprendre le comportement au feu des assemblages titane-composites.
Abstract
The development of increasingly lightweight aircraft with greater use of carbon fibre-reinforced polymer matrix composite parts raises a number of questions about on-board safety, particularly in terms of how materials and structures behave when exposed to fire. If a fire occurs in the engine environment of an aircraft, the materials constituting the aerostructures are subjected to high temperatures and must therefore meet safety requirements. Organic matrix composites have very complex thermal, chemical and mechanical behaviour that, when combined with very hot metal parts, could compromise the fireproofing capability of these structures. Thus, the major ambition of this thesis work is to gain a clearer understanding on the fire behaviour of titanium-composite assemblies.
Dévelοppement d'un spectrοmètre/débitmètre neutrοns transpοrtable
Doctorant·e
SIMONETTI Claude-Alexandre
Direction de thèse
LABALME MARC (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
20/12/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance
Ecole des Applications Militaires de l'Energie Atomique - EAMEA Querqueville (extérieur)
Rapporteurs de la thèse
HADDAD FERID Nantes Université
NOURREDDINE ABDEL MJID Université de Strasbourg
Membres du jurys
BAN Gilles,
,
ENSICAEN
HADDAD FERID,
,
Nantes Université
LABALME MARC,
Maître de conférences HDR,
ENSICAEN
LELAIZANT GABRIELLE,
Chercheur,
CEA
NOURREDDINE ABDEL MJID,
,
Université de Strasbourg
Résumé
Le projet DONEUT (DOsimètre NEUtrons) dans lequel s’inscrit cette thèse vise à répondre à un besoin avéré, des mondes militaire et civil, qui souhaitent déterminer de manière plus précise l’impact, fondamental dans le domaine de la radioprotection, des rayonnements neutroniques pour les personnels mettant en œuvre l’énergie nucléaire.
Pour répondre à ce besoin, nécessitant une mesure rapide (≤ 10 min) et précise des débits d’équivalents de dose ambiants (H*(10)) et personnels (Hp(10)) neutrons rencontrés dans ces environnements industriels, entre 1 μSv/h et ~10 mSv/h, un prototype de spectromètre de forme cylindrique en polyéthylène multi-instrumenté, transportable (masse ≤ 15 kg), avec 32 détecteurs de neutrons thermiques placés à différentes profondeurs, a été développé dans le cadre de ce projet.
Cet appareil permet de remonter, via des méthodes de déconvolution telles que MAXED ou GRAVEL, au spectre complet des neutrons, entre 0 et 20 MeV, dont la nocivité en exposition externe à distance dépend fortement de leur énergie. Les résultats se révèlent encourageants et en bon accord avec ceux obtenus avec le spectromètre NNS (Nested Neutron Spectrometer) qui a servi de référence, avec une bonne discrimination entre les rayonnements gamma et neutronique.
Abstract
The DONEUT (DOsimètre NEUtrons) project in which this thesis is included, has to answer to the following issue for the civilian an military nuclear industries : a more precise determination of the neutron impact on the human body, fundamental in radiation protection.
To fulfill theses requirements, which consist of measuring an ambient or personal dose equivalent rateS (H*(10) or Hp(10)) from 1 µSv/h to ~10 mSv/h in less than 10 minutes, a transportable (mass ≤ 15 kg) multi detectors cylindric prototype has been developed, with 32 thermal neutron detectors placed at different depths.
This device is able to rebuild a full neutron spectrum from 0 to 20 MeV through unfolding computer codes like MAXED and GRAVEL, and the results are in good agreement with those obtained with the NNS spectrometer (Nested Neutron Spectrometer), which was our reference, with a good gamma/neutron discrimination.
Etude expérimentale des mécanismes d'évapοratiοn des semicοnducteurs.
Doctorant·e
NDIAYE Samba
Direction de thèse
RIGUTTI LORENZO (Directeur·trice de thèse)
VURPILLOT FRANCOIS (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
19/12/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance
Laboratoire GPM
Avenue de l'université
76801 St Etienne du Rouvray
Rapporteurs de la thèse
COJOCARU-MIREDIN OANA Univ."A.LUDWIGS" de Freiburg (ALL)
PORTAVOCE ALAIN Aix-Marseille université
Membres du jurys
COJOCARU-MIREDIN OANA,
,
Univ."A.LUDWIGS" de Freiburg (ALL)
DOUADY JULIE,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
MOUTON Isabelle,
,
INP DE GRENOBLE
PORTAVOCE ALAIN,
,
Aix-Marseille université
RIGUTTI LORENZO,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
VURPILLOT FRANCOIS,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
Résumé
La Sonde Atomique Tomographique (SAT) est un outil puissant pour étudier la distribution atomique 3D des espèces chimiques dans une grande variété de matériaux. Cependant, des biais de mesure composition importants affectent les analyses de sondes atomiques dans le cas des matériaux semi-conducteurs. Dans le cadre de cette thèse, les mécanismes physicochimiques du processus d’évaporation par effet de champ ont été étudié pour différents semiconducteurs. En plus de l'aspect physicochimique de l'évaporation, les mécanismes du système de détection et les pertes induites ont été étudié en détail. Les échantillons analysés au cours de cette thèse (SiC, Ge :Sn, Ge :Sb et LaB6) ont tous une composition parfaitement définie au préalable afin de mieux traiter la problématique des biais de composition.
Les résultats obtenus, grâce à une synergie entre la SAT, le FIM et la simulation, révèlent une dynamique des atomes à la surface de l’apex de l'échantillon soumis à un champ électrique très intense, conduisant à la reconstruction de la pointe avant l'évaporation. Les compositions mesurées sont quasiment toutes différentes des compositions nominales. Ces pertes atomiques sont interprétées comme résultant de la physique de l’émission complexe de ces matériaux et des limitations des systèmes de détection utilisés. Ces limitations se manifestent par une région morte de détection étant la cause des effets d’empilement. Nous avons poussé ces limitations en introduisant les amplitudes des signaux des ions sur l’étude des biais de composition. En effet, l’identité des ions perdus dans la région morte peut désormais être déterminée, ce qui ressuscite cette région. Enfin une méthode de correction de la composition mesurée basée sur la probabilité de détection des paires isotopiques est introduite avec des résultats très satisfaisants.
Abstract
The Atomic Probe Tomographic (APT) is a powerful tool for studying the 3D atomic distribution of chemical species in a wide range of materials. However, significant composition measurement biases affect atomic probe analyses in the case of semiconductor materials. In the context of this thesis, the physicochemical mechanisms of the field-induced evaporation process were studied for different semiconductors. In addition to the physicochemical aspect of evaporation, the detection system mechanisms and induced losses were examined in detail. The samples analyzed in this thesis (SiC, Ge:Sn, Ge:Sb, and LaB6) all had a pre-defined composition to better address the issue of composition biases.
The results obtained, through a synergy of APT, FIM, and simulation, reveal a dynamic behavior of atoms at the surface apex of the sample subjected to a highly intense electric field, leading to the specimen's reconstruction before evaporation. The measured compositions are almost all different from the nominal compositions. These atomic losses are interpreted as a result of the complex emission physics of these materials and the limitations of the detection systems used. These limitations manifest as a dead detection region, causing pile up effects. We pushed these limitations by introducing ion signal amplitudes into the study of composition biases. Indeed, the identity of ions lost in the dead region can now be determined, reviving this region. Finally, a method for correcting the measured composition based on the probability of detecting isotopic pairs is introduced with very satisfactory results.
Etude numérique et expérimentale de la dynamique des faisceaux d'electrοns dans les accélérateurs linéaires à inductiοn
Doctorant·e
ALVINERIE Clara-Marie
Direction de thèse
ROUSSEAU Patrick (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
19/12/2023 à 09:30
Lieu de la soutenance
Salle Le Cloître - Grand Couvent Gramat (extérieur)
Rapporteurs de la thèse
FOURMENT CLAUDE CEA
MANIL Bruno Sorbonne Université
Membres du jurys
DELAUNAY RUDY,
,
CEA
FOURMENT CLAUDE,
,
CEA
MAISONNY REMI,
,
CEA
MANIL Bruno,
,
UNIVERSITE PARIS 13 PARIS-NORD
PECASTAING LAURENT,
,
Université de Pau et des Pays de l'Adour
ROUSSEAU Patrick,
Maître de conférences,
Université de Caen Normandie (UCN)
Résumé
La radiographie éclair est une technique permettant de caractériser l’état d’un objet dense soumis à des conditions physiques extrêmes, avec des vitesses de déplacement de plusieurs km/s. Dans ces conditions, il est nécessaire d’avoir une source de rayonnement X spécifique : faible dimension (quelques mm), durée brève (inférieure à 100 ns), haute énergie (autour de 20 MeV) et intense (quelques kA). Elle est produite à l’aide du rayonnement de freinage généré par l’interaction d’un faisceau intense et pulsé d’électrons avec une cible de métal de numéro atomique élevé. Ce faisceau est émis par une cathode en velours puis transporté dans un accélérateur linéaire à induction (LIA). La qualité d’une radiographie est majoritairement conditionnée par les caractéristiques physiques de la source X, elles-mêmes intimement liées aux propriétés du faisceau d’électrons. Les travaux menés dans cette thèse visent à modéliser la dynamique du faisceau dans les LIA en intégrant ses caractéristiques physiques dont certaines instabilités dégradant le faisceau. Les modèles développés ont été validés lors de la mise en service de l’accélérateur MCH3 implanté au CEA Valduc sur l'installation Epure.
La modélisation de la dynamique du faisceau repose sur le code Particle-In-Cell LSP-Slice et le code de transport EVOLI (EVOLution des Instabilités). Ce dernier a été développé lors de cette thèse et modélise la dimension de l’enveloppe et du barycentre des charges (centroïde) du faisceau ainsi que la propagation « temporelle » du faisceau par le biais d’un découpage de ce dernier en disque.
Dans un premier temps, des études ont été menées sur le mouvement du centroïde du faisceau lors de son transport. Dans EVOLI, les équations décrivent le centroïde avec l’influence de la charge d’espace. Une procédure d’optimisation numérique a permis de reproduire par simulation les résultats obtenus dans MCH3 en intégrant l’influence du champ magnétique terrestre et les défauts d’alignement des différents éléments magnétiques (solénoïdes et déviateurs). L’application de cette nouvelle méthode sur d’autres transports permet d’envisager de calculer des consignes des déviateurs afin de pré-centrer le faisceau numériquement. Cette méthode laisse entrevoir un gain de temps significatif lors du centrage expérimental du faisceau nécessitant de nombreux essais.
Dans un second temps, la modélisation du faisceau a permis de contribuer à la mise en service de l’accélérateur MCH3 en fin d'année 2022. Un premier transport n’a pas permis de mener la totalité de la charge du faisceau jusqu’à la cible de conversion, bien que les simulations numériques prédisaient un transport nominal basé sur le seul formalisme de l’enveloppe. Les mesures expérimentales ont montré des oscillations importantes du centroïde dues à l’instabilité Beam Break-Up (BBU). Un modèle simplifié du BBU a alors été intégré dans EVOLI. Par l’utilisation de ce modèle numérique, un nouveau transport à champ magnétique fort a été conçu limitant théoriquement d’un facteur 2,5 l’intensité du BBU en sortie de ligne accélératrice. Ce résultat a été vérifié expérimentalement par la réduction significative du BBU d’un facteur 3 permettant de transporter l’intégralité de la charge du faisceau de manière stable et reproductible jusqu’à la cible. Cette stratégie de transport du faisceau à champ magnétique fort admet cependant une limite puisqu’elle exacerbe le mouvement Corkscrew qui augmente avec le champ magnétique tel que montré par le travail initialisé dans cette thèse. L’optimisation du transport est donc un compromis entre le poids des différentes instabilités au sein de l’accélérateur. Les travaux de cette thèse ouvrent des perspectives sur la prise en compte des instabilités afin de concevoir des transports innovants particulièrement dans le cadre de machines multi-impulsion constituant à l'heure actuelle un développement majeur des machines de radiographie éclair.
Abstract
Flash radiography allows characterizing the state of a dense object subjected to extreme physical conditions, with displacement velocities of several kilometres per second. These conditions require a specific X-ray source: small size (a few millimetres), brief duration (less than 100 ns), high energy (around 20 MeV) and high current (a few kA). This source is produced using Bremsstrahlung radiation generated by the interaction of an intense and pulsed electron beam with a high atomic number metal target. A velvet cathode emits the beam and an linear induction accelerator (LIA) transports it. The quality of radiography is mainly conditioned by the physical characteristics of the X-ray source, which are closely linked to the properties of the electron beam. The work carried out in this PhD thesis aims to model the beam dynamics in LIAs by integrating its physical characteristics, including some instabilities which degrade the beam. The developed models were validated during the commissioning of the MCH3 accelerator at CEA Valduc in Epure facility.
The modelling of beam dynamics is based on the Particle-In-Cell (PIC) code LSP-Slice and the transport code EVOLI (EVOLution of Instabilities). The latter was developed during this thesis and models the size of the beam envelope and its charge centroid, as well as the "temporal" propagation of the beam by its segmentation into discs.
In the first place, studies were conducted on the motion of the beam centroid during its transport. In EVOLI, the equations describe the centroid with the influence of space charge. A numerical optimization procedure allowed the simulation to reproduce the results obtained in MCH3 by incorporating the influence of the Earth's magnetic field and the misalignment of various magnetic elements (solenoids and steerers). The application of this new method to other beam transports makes possible to calculate steerer settings for numerical pre-centering of the beam. This method offers the prospect of significant time savings during the experimental beam centering process, which typically requires numerous shots.
Afterward the beam modelling contributed to the commissioning of MCH3 accelerator at the end of 2022. With an initial transport attempt, the entire beam charge did not reach the conversion target, despite numerical simulations predicting nominal transport based on the envelope formalism. Experimental measurements revealed significant centroid oscillations due to the Beam Break-Up (BBU) instability. Then, a simplified BBU model was incorporated into EVOLI. By using this numerical model, a new high magnetic field transport was designed, theoretically limiting BBU intensity at the accelerator end by a factor 2.5. This result was experimentally verified by a BBU reduction by a factor 3, enabling a stable and reproducible transport of the entire beam charge to the target. However, this strong magnetic field transport strategy leads to an increase of the Corkscrew motion, which increases with magnetic field strength as shown in the work initiated in this thesis. Therefore, optimizing beam transport is a compromise between the various instabilities within the accelerator. The work of this thesis opens up prospects for considering instabilities to design innovative transports, particularly in the context of multi-pulse machines, which are currently a major development in flash radiography machines.
Ρhysics οf supercοnducting nickel οxides frοm first principles calculatiοns
Doctorant·e
CARRASCO ALVAREZ Alvaro Adrian
Direction de thèse
PRELLIER Wilfrid (Directeur·trice de thèse)
BIBES MANUEL (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
18/12/2023 à 15:00
Lieu de la soutenance
Unicaen Bat Sciences 2
Rapporteurs de la thèse
GHOSEZ PHILIPPE Université de Liège
JUNQUERA JAVIER Universidad de Cantabria
Membres du jurys
BENCKISER EVA,
Directeur de recherche,
Université de Stuttgart
BIBES MANUEL,
,
Université Paris-Saclay
GHOSEZ PHILIPPE,
,
Université de Liège
JANOD ETIENNE,
Directeur de recherche,
Institut des matériaux Jean Rouxel
JUNQUERA JAVIER,
,
Universidad de Cantabria
PRELLIER Wilfrid,
,
ENSICAEN
VARIGNON Julien,
Maître de conférences,
Université de Caen Normandie (UCN)
Résumé
La compréhension de l'origine de la supraconductivité haute température est entravée par l'absence de matériaux analogues aux cuprates. Bien que proposée depuis longtemps dans les oxydes de nickel de formule générale R$_{n+1}$Ni$_n$O$_{2n+2}$, matériaux isoélectronique aux cuprates, la supraconductivité n'a été observée qu'en 2019 mais les mécanismes mis en jeu reste à déterminer. Dans cette thèse, nous présentons une étude des oxydes de nickel supraconducteurs à partir de simulations de premiers principes basées sur la théorie fonctionnelle de la densité. Nous révélons que les composés RNiO$_2$ à couche infinie non dopés présentent une phase métallique antiferromagnétique à basse température. Un fort couplage de Hund qui domine le champ cristallin explique la coexistence entre l'antiferromagnétisme et le comportement métallique. En étudiant le diagramme de phase en fonction de $n$, nous identifions un ordre de charge entre des Ni$^{1+}$ et Ni$^{2+}$ pour $n=2$. Il est la conséquence d'une instabilité électronique du degré d'oxydation 1.5+ des Ni qui préfère dismuter vers les degrés 1+ et 2+ qui sont plus stables, produisant une distorsion $\mathrm{B_{oc}}$ des complexes NiO$_4$ pour accomoder les différents charges. À partir de ce point, le dopage en électron supprime progressivement l'ordre de charge et il disparait à proximité de la région supraconductrice observée expérimentalent. Nous construisons alors un modèle supraconducteur basé sur les modes de phonons $\mathrm{B_{oc}}$ reproduisant quantitativement le dôme de température critique supraconductrice en fonction du dopage. Nous discutons en outre de l’importance de la structure cristalline lors de la conception de nouveaux composés supraconducteurs et de la relation entre ces supraconducteurs à base de nickel et d’autres composés supraconducteurs. Enfin, nous étendons le modèle à d'autres composés tels que les ruthénates, expliquant leurs propriétés supraconductrices en tant que matériaux massifs et nanofilms.
Abstract
The understanding of high temperature superconductors based on Cu oxides could be improved by finding possible oxide analogues with different transition metals. In that regard Ni oxide superconductors were proposed to be promising candidates to better understand the origin of the high temperature superconductivity in the cuprates. In the following manuscript, we present a first-principles study of the physics of the superconducting nickel oxides discovered in 2019 based on Density Functional Theory. From our study we reveal that the undoped infinite layer RNiO$_2$ compounds present an antiferromagnetic metallic phase at low temperature. A strong Hund's coupling that dominates over the crystal field explains the coexistence between antiferromagnetism and metallic behavior. Regarding the doping phase diagram, we propose understanding the normal state of these superconducting compounds, starting from an insulating nickel oxide phase R$_2$NiO$_4$ instead of the metallic RNiO$_2$ phase. This allows us to find a charge-ordering instability in the doping phase diagram when the Ni cations present a 1.5+ oxidation state. We explore this charge ordering and show that it is a consequence of an electronic instability that produces a double local environment of Ni$^+$ and Ni$^{2+}$ cations, which is accompanied by a breathing distortion of the NiO$_4$ complexes $\mathrm{B_{oc}}$. From this point, we further study this charge ordering instability revealing that decreasing the Ni oxidation state quenches the instability and it disappears in the vicinity of the reported superconducting region. We then build a superconducting model based on the $\mathrm{B_{oc}}$ phonon modes which can reproduce quantitatively well the superconducting critical temperature dome accounting for the metallic but non-superconducting region in the doping phase diagram. Furthermore, we discuss the importance of the crystal structure when designing new superconducting compounds and how these nickel-based superconductors relate to other superconducting compounds. Finally, we extend the model to other compounds such as the ruthenates, explaining their superconducting properties as bulk and nanofilm materials.
Radiatiοn-induced prοcesses within DΝA in the gas phase
Doctorant·e
LIU Min
Direction de thèse
POULLY Jean-Christophe (Directeur·trice de thèse)
POULLY Jean-Christophe (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
18/12/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance
UFR des Sciences
Rapporteurs de la thèse
EDEN SAMUEL Maître de conférences HDR The Open University
MAC ALEESE LUKE Chercheur HDR Université Claude Bernard - Lyon 1
Membres du jurys
CASSIMI AMINE,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
CHEVALIER FRANCOIS,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
EDEN SAMUEL,
Maître de conférences HDR,
The Open University
LACOMBE SANDRINE,
,
Université Paris Saclay
MAC ALEESE LUKE,
Chercheur HDR,
Université Claude Bernard - Lyon 1
POULLY Jean-Christophe,
Maître de conférences,
Université de Caen Normandie (UCN)
Résumé
Les dommages à l’ADN sont généralement considérés comme les lésions cellulaires les plus courantes et le plus importantes parmi celles causées par les rayonnements ionisants. Ces dommages présentent de graves risques pour la santé humaine, mais ils font également de la radiothérapie un outil puissant pour tuer les cellules cancéreuses et sauver des vies. Pour ces raisons, de nombreuses recherches se sont concentrées sur les processus induits par les radiations au sein de l’ADN. Cependant, la plupart de ces travaux ont été réalisés en phase condensée, ce qui ne permet pas d'éliminer l'influence du milieu environnant. Afin d'étudier les conséquences de l'interaction directe de l'ADN avec les rayonnements ionisants à l'échelle moléculaire, nous avons irradié une séquence d'ADN auto-complémentaire en phase gazeuse avec un rayonnement synchrotron ou des faisceaux d'ions, et analysé par spectrométrie de masse les ions moléculaires produits. Grâce à la spectrométrie de mobilité ionique, nous avons établi que les doubles brins déprotonés de cette séquence forment bien une double hélice stable dans un piège à ions, si l'état de charge est supérieur à 5-. Ensuite, nous avons étudié les conséquences de la photoabsorption spécifique se produisant au niveau du squelette oligonucléotidique de l'ADN en phase gazeuse. En surveillant le détachement non dissociatif d'un seul électron des précurseurs déprotonés en fonction de l'énergie des photons autour du bord K du phosphore, nous avons identifié la signature spectrale des rayons X de la photoabsorption sélective au niveau des atomes de phosphore situés uniquement dans le squelette. Nous avons également détecté d’abondants cations de fragments de bases nucléiques résultant du détachement de plusieurs électrons et avons ainsi démontré le transfert de charge, d’énergie et d’hydrogène du squelette vers les bases nucléiques. Dans la dernière partie de la thèse, nous présentons les résultats de l'irradiation des oligonucléotides d'ADN par des ions carbone en phase gazeuse. Nous avons observé un détachement non dissociatif d'un seul électron et des ions fragments positifs tout aussi abondants après l'impact d'ions carbone, comme dans le cas de l'irradiation par des photons de rayons X. Plus important encore, nous avons réussi pour la première fois à irradier un double brin d’ADN hélicoïdal en phase gazeuse. 70% des produits ioniques résultants proviennent d’un détachement non dissociatif d’un seul électron, ce qui est beaucoup plus élevé que dans le cas des simples brins. Par conséquent, l’ionisation directe d’une double hélice d’ADN après interaction avec un seul ion carbone n’entraîne pas de séparation des brins, ce qui a des implications importantes concernant les dommages à l’ADN, notamment dans le contexte de l’hadronthérapie.
Abstract
DNA damage is generally considered to be the most common and most important type of lesions in cells caused by ionizing radiation. While DNA damage caused by ionizing radiation poses serious risks to human health, it also makes radiation therapy a powerful tool for killing cancer cells and saving lives. For these reasons, a great deal of research has focused on radiation-induced processes within DNA. However, most of this work has been carried out in the condensed phase, which cannot remove the influence of the surrounding environment. In order to investigate the consequences of direct interaction of DNA with ionizing radiation at the molecular scale, we have irradiated a self-complementary DNA sequence in the gas phase with synchrotron radiation or ion beams, and analyzed the resulting product ions by mass spectrometry. Thanks to ion mobility spectrometry, we have established that deprotonated double strands of this sequence indeed form a double helix that is stable in an ion trap, if the charge state is higher than 5-. Then, we have investigated the consequences of specific photoabsorption occurring at the DNA oligonucleotide backbone in the gas phase. By monitoring non-dissociative single electron detachment from deprotonated precursors as a function of photon energy around the phosphorus K-edge, we have identified the X-ray spectral signature of selective photoabsorption at the phosphorus atoms located only in the backbone. We also detected abundant nucleobase fragment cations resulting from multiple electron detachment and thus demonstrated the charge, energy and hydrogen transfer from the backbone to the nucleobases. In the final part of the thesis, we present the results of irradiation of the DNA oligonucleotides by carbon ions in the gas phase. We have observed similar non-dissociative single electron detachment and similarly abundant positive fragment ions after carbon ion impact as in the case of irradiation by X-ray photons. More importantly, we have successfully irradiated a helical DNA double strand in the gas phase for the first time. 70% of the resulting ionic products come from non-dissociative single electron detachment, which is much higher than the case of single strands. Therefore, direct ionization of a DNA double helix after interaction with a single carbon ion does not lead to separation of the strands, which has important implications regarding DNA damage, notably in the context of hadrontherapy.
Ιnvestigatiοn οf Luminescent Ρrοperties in Rare-Earth free Μetallοphοsphοnate Ηybrid Μaterials: structural Ιnsights in phοtοphysical studies
Doctorant·e
GANESAN Parameshwari
Direction de thèse
CARDIN Julien (Directeur·trice de thèse)
LABBE Christophe (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
18/12/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance
Salle desThèses, Science 3
Rapporteurs de la thèse
DEMESSENCE AUDE Université Claude Bernard - Lyon 1
RINNERT HERVE Université de Lorraine
Membres du jurys
ANDRAUD CHANTAL,
Directeur de recherche,
Ens Lyon Ens Sciences
CARDIN Julien,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
DEMESSENCE AUDE,
,
Université Claude Bernard - Lyon 1
LABBE Christophe,
Maître de conférences,
Université de Caen Normandie (UCN)
RINNERT HERVE,
,
Université de Lorraine
RUEFF Jean-Michel,
,
ENSICAEN
Résumé
Durant ce travail de thèse, les propriétés structurelles et photoniques des metallophosphonates luminescents hybrides ont été étudiées en abordant le rôle de leur structure dans les propriétés luminescentes. Les métallophosphonates possèdent différentes coordinations chimiques montrant leurs capacités à former plusieurs centres métalliques ainsi qu’une forte liaison chimique de type P-O-M. L’objective de ce travail est l’étude des matériaux hybrides organiques-inorganiques luminescents dont le composant organique offre une plateforme solide facilement amovible avec divers groupes fonctionnels. Cette étude s’articule sur différents metallophosphonates hybrides synthétisés par voie hydrothermale à l’aide de ligands organiques tels que le fluorène, le thianthrène et l’acide phosphonique avec des éléments alcalino-terreux (Mg, Ca, Sr, Ba) et des métaux de transitions (Mn, Co, Cu, Zn). Ces derniers ont été obtenus en manipulant la nature de la molécule, le nombre de groupes fonctionnels et les propriétés cationiques au sein de la structure. Grace à leurs caractéristiques liés à leurs différents arrangements structurels, les matériaux synthétisés montrent diverses propriétés, notamment la rigidité et la stabilité thermique. De plus, ces matériaux montrent des propriétés de luminescences intéressantes tel que la fluorescence, phosphorescence à température ambiante (PTA), les déplacements bathochrome et hypsochrome, l’émission de type excimère ainsi que l’apparition de nouvelles bandes de luminescence rouge et verte pour certains cations spécifiques. Enfin, la variation des propriétés de composés hybrides en fonction de la structure est discutée, en tenant compte le phénomène d’émission induite par Agrégation (AIE) et d’émission améliorée par agrégation (AEE).
Abstract
This thesis work systematically investigates the structural and photophysical properties of rare-earth-free metallophosphonate hybrid luminescent materials, emphasizing the role of structure in luminescent properties. Metallophosphonates demonstrate exceptional versatility with their coordination chemistry, highlighted by their ability to interact with multiple metal centers and form robust P-O-M metal bonds. We aim to study crystalline organic-inorganic hybrid luminescent materials in which the organic part provides a rigid platform which is easily modifiable with various functional groups. we present various metallophosphonate hybrids synthesized through the hydrothermal route using functionalized organic ligands such as Fluorene, Thianthrene, and Tetraphenylethylene (TPE) phosphonic acid with different alkaline-earth elements (Mg, Ca, Sr, Ba) and transition elements (Mn, Co, Cu, Zn). Different metallophosphonate materials are obtained by manipulating the nature of molecules, the number of functional groups, and the characteristics of cations in the structure. Due to that, the synthesized metallophosphonate hybrid materials exhibit diverse structural properties, including rigidity, thermal stability, and different arrangements like face-to-face or edge-to-face and herringbone stacking patterns. Furthermore, these materials display intriguing luminescent properties, such as Fluorescence, Room Temperature Phosphorescence (RTP), Bathochromic and Hypsochromic shift (red and blue shift), Excimer emission, and other novel green and red luminescence bands, particularly in the presence of specific cations. Lastly, we discuss and explore the interconnection between structural and physical properties including the phenomena of Aggregation Induced Emission (AIE) and Aggregation Enhanced Emission (AEE) for hybrid compounds.
Analyse et dévelοppement des critères de sécurité pοur la détectiοn des défauts dans les réacteurs chimiques.
Doctorant·e
KOUHILI YOUSSEF
Direction de thèse
ESTEL LIONEL (Directeur·trice de thèse)
VERNIERES LAMIAE (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
15/12/2023 à 09:30
Lieu de la soutenance
CNRS UMR 6614 - CORIA Université de Rouen
Salle de conférence du CORIA
Site Universitaire du Madrillet
675 avenue de l’Université
76801 SAINT ETIENNE DU ROUVRAY CEDEX
CABASSUD MICHEL,
,
Université de Toulouse III Paul Sabatier
ESTEL LIONEL,
,
INSA de Rouen Normandie
FARZA MONDHER,
,
Université de Caen Normandie
OLIVIER-MAGET NELLY,
,
INP ENSIACET, Toulouse
SCHWEITZER JEAN-MARC,
,
Michelin, Clermont-Ferrand
VERNIERES LAMIAE,
,
INSA de Rouen Normandie
Résumé
Dans l’industrie chimique, il existe un risque élevé d'accidents dans la conduite des réactions chimiques exothermiques. Le scénario d’accident le plus fréquent est le phénomène d’emballement thermique qui se produit lors du fonctionnement des réacteurs chimiques. L’emballement thermique débute lorsque la capacité de refroidissement n’est plus suffisante pour absorber la quantité de chaleur générée par la réaction.
Pour prévenir ce phénomène et ses conséquences, il est essentiel d'adopter des mesures dès la conception et l'instrumentation des processus. Cependant, malgré ces précautions, les réacteurs restent vulnérables aux défaillances techniques et aux erreurs humaines, comme l'ont démontré de nombreuses études (Saada et al., 2015) (Dakkoune et al., 2019) (Zhang et al., 2021). Il est donc crucial de disposer d'un système de détection précoce, permettant de détecter les dérives des systèmes réactionnels, pour éviter les pertes de contrôle conduisant à l'emballement de la réaction.
Dans cette étude, nous avons d'abord évalué les performances des critères de sécurité existants dans la littérature, sur deux types de réactions avec des cinétiques différentes. Le but est d’étudier les limites d’utilisation de ces critères pour anticiper les risques d'emballement.
Ensuite, nous avons élaboré un nouveau critère de sécurité pour la détection en temps réel basée sur un seuil dynamique de la chaleur produite par la réaction. Ce critère a également été testé sur deux types de réactions avec des cinétiques distinctes pour valider cette approche dans un réacteur fermé. Enfin une comparaison des performances de la détection en utilisant le seuil dynamique de la chaleur de la réaction et en utilisant la température de la réaction a été effectuée.
Abstract
In the chemical industry, there is a high risk of accidents when conducting exothermic chemical reactions. The most common accident scenario is the phenomenon of thermal runaway, which occurs during the operation of chemical reactors. Thermal runaway begins when the cooling capacity is no longer sufficient to absorb the amount of heat generated by the reaction.
To prevent this phenomenon and its consequences, it is essential to adopt measures from the design and instrumentation of processes. However, despite these precautions, reactors remain vulnerable to technical failures and human errors, as numerous studies have demonstrated (Saada et al., 2015) (Dakkoune et al., 2019) (Zhang et al., 2021). It is, therefore, crucial to have an early detection system capable of detecting deviations in the reaction systems to avoid loss of control leading to reaction runaway.
In this study, we first assessed the performance of existing safety criteria in the literature on two types of reactions with different kinetics. The goal is to study the limits of using these criteria to anticipate the risks of runaway.
Next, we developed a new safety criterion for real-time detection based on a dynamic threshold of the heat produced by the reaction. This criterion was also tested on two types of reactions with distinct kinetics to validate this approach in a closed reactor. Finally, a comparison of the performance of the detection using the dynamic heat threshold of the reaction and using the reaction temperature was performed.
Οptimisatiοn de la méthοde d'impressiοn et étude des perfοrmances à l'état frais et durci
Doctorant·e
ARRETEAU Manon
Direction de thèse
SEBAIBI NASSIM (Directeur·trice de thèse)
CHATEIGNER Daniel (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
15/12/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance
Builders Ecole d'Ingénieurs, 1 rue Pierre et Marie Curie, Epron 14610
Rapporteurs de la thèse
AOUAD GEORGES Maître de conférences HDR IMT Lille Douai - Ecole Nationale Supérieure des Mines-Télécom Lille Douai
DHEILLY ROSE MARIE UNIVERSITE AMIENS PICARDIE JULES VERNE
Membres du jurys
AOUAD GEORGES,
Maître de conférences HDR,
IMT Lille Douai - Ecole Nationale Supérieure des Mines-Télécom Lille Douai
CHATEIGNER Daniel,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
DHEILLY ROSE MARIE,
,
UNIVERSITE AMIENS PICARDIE JULES VERNE
FABIEN AURELIE,
Docteur,
NEOLITHE
SEBAIBI NASSIM,
Maître de conférences HDR,
BUILDERS ECOLE D'INGENIEURS CAEN
SONEBI MOHAMMED,
,
BELFAST - THE QUEEN'S UNIVERSITY OF
Résumé
Cette thèse a été mené au sein du laboratoire Builders à Caen, financée à 50% par Normandie Université et 50% par l’ESITC Metz. Nous avons mis au point une formulation compatible avec l’impression 3D à base de ciment et de grès. Afin de déterminer l’imprimabilité des essais à l’état frais, la détermination des paramètres d’impression a été réalisée et des essais à l’état durci ont été effectués. Nous présentons présenter les différentes formulations de pâtes cimentaires mises en œuvre pour l’impression 3D, ainsi que l’étude des indicateurs d’imprimabilités de ces pâtes. Ainsi, le viscosimètre, le test cône d’Abram modifié sont très limités pour déterminer l’imprimabilité. Les essais au pénétromètre, l’extrudabilité à la seringue, l’essai de la boule sont plutôt simples pour mettre en évidence les formulations trop éloignées de l’imprimabilité. La formulation retenue est composée de 50% en masse sèche de grès et 50% de masse sèche de ciment avec un ratio Eau/Poudre = 0,4, 1% de plastifiant et 0,75% d’agent viscosant (C50G50E40SP1AV0,75). Les essais nécessaires au bon paramétrage de l’impression de ces pâtes ont été étudiés avant réalisation d’objet, afin d’avoir une bonne précision du tracé. Ainsi, l’impression se fait à une vitesse de 30 mm/s, un débit de 0,4 g/s, une hauteur de couche entre 1 et 2 mm, un support papier cuisson et si le tracé est sensible au retrait ou à la fissuration il faut combiner papier cellophane huilée et papier cuisson. Les différents modes de fabrications sont montrés pour les échantillons 4 × 4 × 4 cm3 et 4 × 4 × 16 cm3. Pour finir des essais mécaniques et de durabilité des pièces à l’état durci ont été effectués afin de vérifier la cohérence de la réalisation avec les besoins opérationnels. Les éprouvettes coulées ont un meilleur comportement mécanique, mais sont plus sensibles au retrait, à l’attaque acide et à la diffusion naturelle des ions chlorure à cause d’une porosité plus importante. Quant aux éprouvettes imprimées, elles sont légèrement moins résistantes mécaniquement et dépendent du motif, du support, de la direction de charge et de la cure. Le remplissage « ligne » limite le retrait lorsque l’impression est à base rectangulaire. Le remplissage en ligne pour une éprouvette à base carrée donne une résistance à l’attaque acide importante et une diffusion aux ions chlorure moins avancer.
Abstract
This study was carried out within the Builders laboratory in Caen, France, funded 50% by Normandie Université and 50% by ESITC Metz. During this thesis work, a formulation compatible with 3D printing based on cement and stoneware was developed, tests were carried out in the fresh state to determine their printability, printing parameters were determined, and tests were carried out in the hardened state. It included a presentation of the different cementitious paste formulations used for 3D printing, as well as a study of the printability indicators for these pastes. The viscometer and the modified Abram cone test are very limited for determining printability. Penetrometer tests, syringe extrudability tests and ball tests are rather simple for highlighting formulations that are too far apart in terms of printability. The selected formulation is composed of 50% dry mass of sandstone and 50% dry mass of cement with a Water/Powder ratio = 0.4, 1% plasticizer and 0.75% viscosity agent (C50G50E40SP1AV0.75). The experiments required to set up the printing parameters for these pastes were studied before the object was produced, to ensure that the tracing was accurate. Printing is performed at a speed of 30 mm/s, a flow rate of 0.4 g/cm, a layer height between 1 and 2 mm, a baking paper base and, if the tracing is sensitive to shrinkage or cracking, a combination of oiled cellophane paper and baking paper. The different manufacturing methods are shown for the 4 × 4 × 4 cm3 and 4 × 4 × 16 cm3 samples sizes. Finally, mechanical and durability tests at hardened state were carried out to check that the design was consistent with operational requirements. The cast specimens gave better mechanical results, but were more sensitive to shrinkage, acidic attack and chloride ions natural diffusion due to their larger porosity. Printed specimens, on the other hand, are slightly less mechanically resistant and depend on the pattern, substrate, direction of loading and curing conditions. Line filling limits shrinkage when the print is rectangular. Line filling for a square-based specimen gives high resistance to acid attack and less advanced chloride ion diffusion.
Scοur investigatiοn arοund a bridge pier fοunded in cοhesive sοil - Etude des phénοmènes d'affοuillement autοur de piles de pοnt fοndées sur sοls cοhésifs
Doctorant·e
ZAIDAN Jana
Direction de thèse
BENAMAR AHMED (Directeur·trice de thèse)
BENNABI ABDELKRIM (Co-encadrant·e de thèse)
POUPARDIN Adrien (Co-encadrant·e de thèse)
Date de la soutenance
14/12/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance
Amphithéâtre LOMC, 53 Rue de Prony, 76600 Le Havre
Rapporteurs de la thèse
CHASSAGNE CLAIRE DELFT UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
PHAM VAN BANG DAMIEN UNIVERSITE DU QUEBEC
Membres du jurys
BENAMAR AHMED,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
BENNABI ABDELKRIM,
,
ESTP PARIS
CHASSAGNE CLAIRE,
,
DELFT UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
GONDRET PHILIPPE,
,
UNIVERSITE PARIS-SACLAY
MARIN FRANCOIS,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
PHAM VAN BANG DAMIEN,
,
UNIVERSITE DU QUEBEC
POUPARDIN ADRIEN,
,
ESTP PARIS
REY VINCENT,
,
Université de Toulon
Résumé
L’affouillement local autour des piles est considéré comme un des principaux risques de rupture et d’effondrement des ponts. Les expériences en laboratoire sont un élément crucial de l’étude du processus d’affouillement. Pourtant, il n’existe pas d’instrument robuste et standard pour suivre l’évolution de ce phénomène physique dans les études de laboratoire. Les études expérimentales en canal sur l’affouillement autour d’une pile circulaire dans un sol non cohésif sont nombreuses. Cependant, le lit des canaux alluviaux naturels contient souvent des sédiments cohésifs. Comparativement, il existe peu de recherches sur l’affouillement local autour des piles circulaires fondés dans des lits cohésifs. Dans le cadre de cette recherche doctorale, un scanner laser 3D est utilisé pour suivre l’affouillement local autour d’une pile circulaire. Les résultats obtenus avec cette technique, en accord avec les recherches précédentes, notamment celles effectuées sur un lit de sable, démontrent son efficacité. Elle offre des avantages tels qu’une résolution spatio-temporelle continue, mais aussi de nombreuses limitations. Dans une seconde étape, l’étude a porté sur l’effet du type et de la proportion des fines sur la profondeur et la forme de la fosse d’affouillement et sur la propagation temporelle du processus d’affouillement autour du pile circulaire. Les résultats montrent que l’augmentation de l’argile dans la fraction fine réduit significativement l’affouillement. Le mélange avec une gamme d’environ 7.5-10 % de teneur en argile fournit la composition seuil pour un comportement cohérent du sol dans le processus d’affouillement. En outre, la prédiction de la profondeur d’affouillement dans les sols cohésifs dans la conception des fondations de ponts n’est pas encore complètement développée. Dans la pratique, les méthodes d’estimation de la profondeur d’affouillement actuellement utilisées sont celles proposées pour des sols non cohérents. De nombreux chercheurs ont mis au point des méthodes pour optimiser la conception des piles de pont dans le cas d’un sol cohésif. Parmi elles, celle basée sur l’utilisation de l’érodimètre EFA (Erosion Function Apparatus) et appelée SRICOS (Scour Rate In COhesive Soil) a été examinée dans le cadre de ce travail afin de prédire la profondeur d’affouillement maximal dans un lit cohésif.
Abstract
Local scour is considered to be one of the main causes of bridge failure and collapse. Laboratory experiments are a crucial and important approach for the scour process investigation. Yet, there is no robust and standard instrumentation for tracking the evolution of this physical phenomenon in laboratory studies. There are several flume-based studies of scour around a circular bridge pier on cohesionless soil. However, the bed of natural alluvial channels often contains cohesive sediments. Comparatively, there is a limited research on local scour around circular pier founded in cohesive beds that has been documented. In this PhD research, a 3D Laser Scanner is used to monitor scour around a circular pier. The results obtained with this technique, in line with previous research, in particular that carried out on a sandy bed, demonstrate its effectiveness. The technique offers advantages such as continuous spatiotemporal monitoring, but also many limitations. In a next step, the study focused on the effect of the type and proportion of fines in the sediment mixture on the depth and the shape of the scour hole and the temporal propagation of scour process around a circular pier. Results show that increasing the clay in the fine fraction reduce significantly the scour. The mixture with a range around 7.5-10 % of clay fines content provides the threshold composition for coherent soil behavior in scouring process. In addition, scour depth prediction for bridge piers in cohesive soil is not yet fully developed. In engineering practice, scour depth estimation methods currently used are those proposed for sand bed. Many researches aimed to adress a method to optimize the design of bridge piers in the case of cohesive soil. Among the different methods, the one based on the use of the EFA (Erosion Function Apparatus) erodimeter and called SRICOS (Scour Rate In COhesive Soil) was examined as part of this work in order to predict the deepest scour in cohesive bed.
Search fοr CΡ viοlatiοn with ΜΟRA: cοmmissiοning οf the setups and first experiments
Doctorant·e
DAUMAS TSCHOPP Sacha
Direction de thèse
LIENARD Etienne (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
14/12/2023 à 09:30
Lieu de la soutenance
LPC Caen
Rapporteurs de la thèse
BLANK BERTRAM UNIVERSITE BORDEAUX 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
SEVERIJNS NATHAL LEUVEN - KATHOLIEKE UNIVERSITEIT
Membres du jurys
ASCHER PAULINE,
Chargé de recherche,
Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux
BLANK BERTRAM,
,
UNIVERSITE BORDEAUX 1 SCIENCES ET TECHNOLOGIE
DELAHAYE Pierre,
,
14 GANIL de CAEN
HAYEN LEENDERT,
Docteur,
ENSICAEN
LIENARD Etienne,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
SEVERIJNS NATHAL,
,
LEUVEN - KATHOLIEKE UNIVERSITEIT
Résumé
Cette thèse s’inscrit dans la recherche de d’évènement impliquant une violation de symétrie CP. Pour se faire, on s’intéresse au paramètre de corrélation triple D définit dans le Model Standard comme étant nul. D est corrélé au spin du noyau père ainsi qu’aux différentes impulsions des produits de désintégrations beta. Une orientation du spin des noyaux pères est nécessaire pour accéder à ce paramètre. Le dispositif MORA est une expérience de piégeage maximisant ainsi cette polarisation. La majeure partie de ce travail de thèse consiste en l’étude du dispositif expérimental et de sa mise en service à l’aide de source de faisceau stable. Des simulations simion ont été réalisées afin de faciliter la réussite du piégeages de ions. Une mise en service à également été réalisée au sein du hall expérimental du département de physique de l’université de Jyväskylä, là où l’expérience réside actuellement. Quatre temps de faisceau de 23Mg ont permis d’affiner le dispositif permettant la prise des premières données exploitables de MORA. La caractérisation et la calibration des détecteurs β est également une part majeure de ce travail. Après une calibration expérimentale, une
tentative d’amélioration de cette dernière à l’aide de simulations geant4 a été faite et montre une différence d’amplitude entre les spectres expérimentaux et simulés. C’est pourquoi divers pistes ont été exploré afin de fournir une explication de celles-ci. Enfin ce travail se conclut par l’analyse des premières données prises en novembre 2022.
Abstract
This thesis is part of the search for events involving CP violation. To this end, we are interested in the triple correlation parameter D defined in the Standard Model as zero. D is correlated to the spin of the parent nucleus and to the different momenta of the beta decay products. Spin orientation of the parent nuclei is required to access this parameter. The MORA device is a trapping experiment that maximises this polarisation. The major part of this thesis work consists of studying the experimental setup and its commissioning using a stable beam source. Simulations were carried out to facilitate successful ion trapping. Commissioning was also carried out in the experimental hall of the physics department at the University of Jyväskylä, where the experiment currently resides. Four 23Mg beam times were used to fine-tune the device, enabling the first usable MORA data to be taken. The characterisation and calibration of the β detectors is also a major part of this work. After an experimental calibration, an attempt was made to improve the latter using simulations, which showed a difference in amplitude between the experimental and simulated spectra. Various avenues have therefore been explored in order to provide an explanation for these differences. Finally, this work concludes with the analysis of the first data taken in November
2022.
Τhermal and envirοnmental effects οn Ρt-based hοllοw nanοspheres catalysts : insights frοm in-situ and οperandο ΤEΜ
Doctorant·e
REZKALLAH Josephine
Direction de thèse
SAUVAGE XAVIER (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
14/12/2023 à 10:00
Lieu de la soutenance
Laboratoire GPM
Avenue de l'université
76801 St Etienne Du Rouvray
Rapporteurs de la thèse
ERSEN OVIDIU Université de Strasbourg
NELAYAH JAYSEN UNIVERSITE PARIS 7 PARIS DIDEROT
Membres du jurys
ERSEN OVIDIU,
,
Université de Strasbourg
GENEVOIS CÉCILE,
,
Université d'Orléans
MOLDOVAN SIMONA,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
NELAYAH JAYSEN,
,
UNIVERSITE PARIS 7 PARIS DIDEROT
PINARD LUDOVIC,
,
ENSICAEN
SAUVAGE XAVIER,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
Résumé
La catalyse hétérogène joue un rôle crucial dans l'amélioration de l'efficacité, de la durabilité et de la rentabilité des réactions chimiques. L'utilisation de nanoparticules métalliques dans la catalyse hétérogène renforce l'efficacité catalytique en raison de leur rapport surface/volume élevé, de leurs propriétés électroniques modulables et de leur activité catalytique élevée. Les catalyseurs à base de métaux nobles, dont le platine (Pt), sont largement reconnus pour leur grande efficacité et leur sélectivité dans un large éventail de réactions industrielles.
Le but principal de cette thèse est l'étude de nanosphères creuses à base de Pt synthétisées, qui présentent des propriétés catalytiques uniques. Cela est dû à leur rapport surface/volume augmenté, à leur densité de matière réduite et à leur efficacité économique. La microscopie électronique en transmission (MET) est utilisée pour la caractérisation de ces matériaux en raison de sa haute résolution et de son adaptabilité aux nanomatériaux. En utilisant la tomographie électronique, des canaux au sein de la morphologie tridimensionnelle complexe de la coquille sont identifiés et quantifiés. Cela contribue de manière significative au développement de nanoréacteurs et offre des perspectives passionnantes pour améliorer leurs propriétés catalytiques.
Les nanosphères creuses utilisées comme nanocatalyseurs sont sujettes à la désactivation en raison de plusieurs processus, notamment le frittage/effondrement, l'empoisonnement de surface et la cokéfaction. Cette recherche aide à comprendre ces transformations en utilisant la réaction d'hydrogénation du CO2 comme modèle. Elle utilise une méthodologie MET in situ et opérando pour surveiller en temps réel les nanosphères creuses à base de Pt au sein d'une cellule environnementale (E-cell). Elle examine le frittage des nanoparticules dans la coquille des nanosphères et l'effondrement de leur microstructure creuse induit par la température. Ce travail explore comment la température et la nature du gaz influencent les changements morphologiques des nanosphères à base de Pt et les mécanismes à l'origine de ces changements. Elle identifie également les produits de la réaction d'hydrogénation du CO2 et contribue à déterminer la voie de la réaction. Cette recherche identifie les températures spécifiques auxquelles les changements morphologiques se produisent dans différents environnements (vide, gaz H2 et mélange de gaz CO2-H2). L'environnement le plus réactif (H2) entraîne un effondrement précoce de ce système complexe par rapport aux atmosphères inertes. Ces découvertes ont jeté les bases d'une nouvelle conception de catalyseurs.
Abstract
Heterogeneous catalysis plays a crucial role in enhancing the efficiency, sustainability and cost-effectiveness of chemical reactions. The use of metal nanoparticles in heterogeneous catalysis boosts catalytic efficiency due to their high surface-to-volume ratio, tunable electronic properties and high catalytic activity. Noble metal-based catalysts, including Platinum (Pt), are widely recognized for their high effectiveness and selectivity in a broad range of industrial reactions.
The main focus of this thesis is the investigation of synthesized Pt-based hollow nanospheres, which exhibit unique catalytic properties. This is due to their increased surface-to-volume ratio, reduced material density and economic efficiency. The transmission electron microscopy (TEM) is used for these materials’ characterization due to its high resolution and adaptability to nanomaterials. Using electron tomography, channels within the shell complex 3D morphology are identified and quantified. This makes a significant contribution to the development of nanoreactors and offers exciting possibilities for enhanced catalytic properties.
Hollow nanospheres used as nanocatalysts are prone to deactivate due to several processes including sintering/collapsing, surface poisoning and coking. This research helps understand these transformations, using the CO2 hydrogenation reaction as a model. It uses in-situ and operando TEM methodology to monitor the Pt-based hollow nanospheres in real-time within an Environmental Cell (E-cell). It examines the sintering of nanoparticles in the nanospheres shell and the temperature-induced collapse of their hollow microstructure. This work explores how temperature and the gas nature influence the morphological changes in Pt-based nanospheres and the mechanisms behind these changes. It also identifies the CO2 hydrogenation reaction products and aids determining the reaction pathway. This research identifies the specific temperatures at which the morphological changes occur under different environments (vacuum, H2 gas and CO2-H2 gas mixture). The most reactive environment (H2) leads to early collapse of such complex system as compared to inert atmospheres. The findings of this research have laid the foundation of a novel catalysts design.
Ρhases magnétiques et transitiοns de phases magnétiques dans les οxydes antiferrοmagnétiques frustrés multiferrοiques: étude par simulatiοns numériques
Doctorant·e
GHADDAR Mohamad
Direction de thèse
LEDUE DENIS (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
13/12/2023 à 13:30
Lieu de la soutenance
Laboratoire GPM
avenue de l'université
76801 St Etienne du Rouvray
Rapporteurs de la thèse
CHATELAIN CHRISTOPHE Université de Lorraine
THIBAUDEAU PASCAL
Notre étude porte sur les matériaux multiferroïques présentant un couplage entre un ordre ferroélectrique et un ordre magnétique. Deux composés multiferroïques : CuCrO2 et Zn2FeOsO6 ont été étudiées en utilisant la méthode Monte Carlo.
Pour le composé CuCrO2, nous avons étudié les phases magnétiques en fonction de la température sous champ magnétique 70 T ≤ B ≤ 120 T appliqué suivant [001]. Nous considérons le modèle de Heisenberg 3D qui est un modèle réaliste qui prend en compte la distorsion et les interactions jusqu’aux 4èmes voisins ainsi que l’ anisotropie magnéto-cristalline. Nous avons trouvé, pour 70 T ≤ B < 106 T, deux transitions qui existent en diminuant la température. La première, autour de 30 K, est une transition « paramagnétique ↔ up-up-down (UUD) » et la deuxième, a lieu à basse température, correspond à une transition « UUD ↔ commensurable (CY) ». Pour 106 T ≤ B < 110 T, une seule transition « paramagnétique ↔ UUD » existe. Pour 110 T ≤ B ≤ 120 T, une seule transition « paramagnétique ↔ V » est observée. Pour 5 K ≤ T ≤ 10 K , notre diagramme de phase est en bon accord avec celui obtenu expérimentalement en termes des séquences de phases. De plus, pour B = 90 T, nous avons constaté que les deux transitions appartiennent à la classe d’universalité du modèle d’Ising 2D.
En ce qui concerne le deuxième composé Zn2FeOsO6, qui a une structure pérovskite double, nous avons effectué les études en utilisant le modèle de Heisenberg généralisé. En prenant en compte les termes d’échange isotropes, nous avons trouvé une transition « paramagnétique ↔ ferrimagnétique » autour de 440 K. Cette température de transition diminue à 425 K en prenant en compte les termes d’échange anisotropes symétriques et antisymétriques (DMI). Les termes d’anisotropie magnéto-cristalline n’affectent que sur la configuration des spins à l’état fondamental, où les spins sont orientés dans le plan ab d’une façon parfaitement antiparallèle. Enfin, nous avons montré, à partir de l’étude de la susceptibilité linéaire, que la frustration augmente en tenant en compte les termes d’échange anisotropes.
Abstract
Our study focuses on multiferroic materials that exhibit coupling between a ferroelectric order and a magnetic order. Two multiferroic compounds : CuCrO2 and Zn2FeOsO6 have been studied using the Monte Carlo method.
For the CuCrO2, the magnetic phases have been investigated as a function of temperature under a magnetic field 70 T ≤ B ≤ 120 T applied according to [001]. The 3D Heisenberg mode have been considered, which is a realistic mode that takes into consideration the distortion and the exchange interaction up to the 4th neighbors, as well as magneto-crystalline anisotropy. For 70 T ≤ B < 106 T, two transitions have been found with decreasing temperature. The first, around 30 K, is a “paramagnetic ↔ up-up-down (UUD) ” transition and the second, takes place at low temperature, corresponds to a “ UUD ↔ commensurable (CY) ” transition. For 106 T ≤ B < 110 T, only one “ paramagnetic ↔ UUD ” transition exists. A single “paramagnetic ↔ V” transition is observed, for 110 T ≤ B ≤ 120 T. For 5 K ≤ T ≤ 10 K, our phase diagram is in a good agreement with that obtained experimentally in terms of phase sequences. Moreover, for B = 90 T, both transitions identified belong to the universality class of 2D Ising model.
For the second compound Zn2FeOsO6, which has a double perovskite structure, the studies have been carried out by using the generalized Heisenberg model. A “paramagnetic ↔ ferrimagnetic” transition was found around 440 K by taking into consideration the isotropic exchange terms. This transition temperature decreases to 425 K with the symmetric and antisymmetric anisotropic exchange terms (DMI). The magneto-crystalline anisotropy terms only affect the spin configuration in the ground state, where the spins are oriented antiparallel in the ab plane. Finally, according to the study of linear susceptibility, the frustration increases when anisotropic exchange terms are considered.
Assemblage d’hétérοstructures οptiques amplificatrices pοur les pilοtes de laser de puissance
Doctorant·e
DUBE Thomas
Direction de thèse
CAMY Patrice (Directeur·trice de thèse)
MONTANT SEBASTIEN (Co-directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
13/12/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance
Institut Lasers et Plasmas, 2640 Avenue du Médoc, 33114 Le Barp (extérieur)
Rapporteurs de la thèse
BARTASYTE AUSRINE Université de Franche Comté
DRUON FREDERIC Université Paris Saclay
Membres du jurys
BALITSKY DENIS,
Chercheur,
Cristal Laser
BARTASYTE AUSRINE,
,
Université de Franche Comté
CAMY Patrice,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
DE VIDO MARIASTEFANIA,
Chercheur,
Central Laser Facility
DRUON FREDERIC,
,
Université Paris Saclay
MONTANT SEBASTIEN,
Directeur de recherche,
CEA FAR
Résumé
Les lasers de puissance, tels que le Laser Mégajoule (France) et le National Ignition Facility (Etats-Unis), ont recours au verre phosphate dopé au Néodyme pour l’amplification laser de forte énergie nécessaire à la réalisation d’expériences de haute densité d’énergie. En raison des contraintes thermiques générées lors du processus de pompage optique du matériau amplificateur, les amplificateurs d’une chaine laser sont contraints à un fonctionnement mono-coup sous peine de dégrader les propriétés de l'impulsion laser. A ce titre, le pilote, dont le rôle consiste à délivrer une impulsion laser à 1053 𝑛𝑚 d'une énergie de 1 𝐽 dans une chaîne laser, est limité à une cadence de 1 tir / 5 minutes. L’augmentation de la cadence du pilote contribuerait entre autres à optimiser les performances de ces systèmes laser en termes de stabilité d’énergie et de temps d’alignement. L’élaboration de nouveaux matériaux et d’architectures d’amplificateur laser novatrices s’inscrit dans une démarche d’amélioration de ces performances. Ce projet de thèse repose sur l'étude de l'assemblage de matériaux optiques aux fonctions complémentaires, que sont l'amplification laser et le refroidissement. Cette thèse vise dans un premier temps à démontrer la faisabilité et l’intérêt de l'assemblage pour l’élaboration de matériaux laser hétérogènes capables de répondre aux besoins d’un pilote de laser de puissance. En premier lieu, plusieurs échantillons hétérogènes élémentaires ont été définis et fabriqués pour cette thèse. Une géométrie assemblée de taille centimétrique met en jeu un matériau à gain laser à 1053 𝑛𝑚 et un à deux cristaux non dopés présentant une forte conductivité thermique. En identifiant différents critères matériaux, plusieurs compositions à base de verre et de cristaux ont été associées suivant différents protocoles d’assemblage. Le travail de cette thèse est consacré à la compréhension des effets thermomécaniques et optiques induits lors du pompage dans ces échantillons assemblés. Des premières mesures d’élévation de température et de déformation du front d’onde mettent en lumière une amélioration du refroidissement ainsi qu’une réduction et une modification de la déformation du front d’onde de l’impulsion. L’ensemble de ces mesures sont confrontées à un modèle de simulation numérique développé avec le logiciel COMSOL Multiphysics® au cours de la thèse. L’accord satisfaisant obtenu entre le modèle et les mesures expérimentales ouvre la voie à une interprétation de la déformation de front d’onde observée entre les hétérostructures de différentes compositions. Finalement, le modèle numérique recalé participe à l’élaboration de nouvelles architectures laser hétérogènes abouties qui sont capables de répondre aux besoins d’un pilote de laser de puissance.
Abstract
High-power lasers, such as the Laser Mégajoule (France) and the National Ignition Facility (United-States of America), rely on neodymium-doped phosphate glass as the gain material to perform high-energy amplification of laser pulses required for high energy density experiments. Due to thermal stresses occurring within the laser gain material during the pumping process, the overall repetition rate of the amplification stages is limited to one shot every hour. As a matter of fact, the front end, which is responsible for the generation of a 1-𝐽 nanosecond 1053-𝑛𝑚 pulse injected into a beamline, operates with a repetition rate of one shot every 5 minutes. Increasing its repetition rate while maintaining the same standard of laser performances is seen as a key objective in order to overcome long-lasting alignment procedures prior to an experiment and to achieve high-energy stability. The research dedicated to novel laser materials and innovative cooling architectures has been driving the development of new high-power laser concepts aiming to operate at higher repetition rates for the past 20 years. This project investigates the bonding of optical materials with complementary functions, such as laser amplification and heat mitigation. This thesis aims at establishing the proof-of-principle of laser material bonding applied to amplificationat 1053 𝑛𝑚 and thermal effects reduction in a high-power laser front-end. As a first step, several primary bonded samples have been defined and prepared within the framework of this study. Various samples, based on laser crystals and glasses, were prepared following different bonding procedures. This thesis work delves into the understanding of thermomechanical effects occurring in bonded laser materials in a side-pumping configuration. Temperature rise as well wavefront measurements underscore a reduction of both thermal load and optical aberrations as well as an improvement of the wavefront distortion. These measurements are compared to a numerical model developed using the finite-element analysis software COMSOL Multiphysics®. The good agreement between the model and the experiments allows for an extensive comprehension of the different thermomechanical contributors to the optical aberrations of each bonded laser material. The numerical model paves the way for the conception of innovative heterogeneous laser material structures dedicated to a new generation of high-power laser front-ends.
Etude expérimentale de la cοnvectiοn naturelle dans une cavité annulaire statiοnnaire οu en rοtatiοn
Doctorant·e
NTARMOUCHANT Ziad
Direction de thèse
MUTABAZI INNOCENT (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
12/12/2023 à 14:00
Lieu de la soutenance
Amphithéâtre du Laboratoire Ondes et Milieux Complexes, 53 rue prony
Rapporteurs de la thèse
OULD EL MOCTAR AHMED Nantes Université
PODVIN BERENGERE CentraleSupélec
Membres du jurys
LE GAL PATRICE,
,
AIX-MARSEILLE UNIVERSITE
LECORDIER BERTRAND,
,
Université de Rouen Normandie (URN)
LOUAHLIA HASNA,
,
Université de Caen Normandie (UCN)
MUTABAZI INNOCENT,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
OULD EL MOCTAR AHMED,
,
Nantes Université
PEERHOSSAINI HASSAN,
,
UNIVERSITE PARIS 7 PARIS DIDEROT
PODVIN BERENGERE,
,
CentraleSupélec
PRIGENT ARNAUD,
,
Université Le Havre Normandie (ULHN)
Résumé
Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la physique des fluides expérimentale. Elle est consacrée à l’étude expérimentale de la convection naturelle dans une cavité annulaire avec le cylindre intérieur stationnaire ou en rotation. La première partie de la thèse est dédiée à la découverte et la validation d’une nouvelle solution rhéoscopique. En plus de fournir des résultats de visualisation satisfaisants, cette solution est respectueuse de l’environnement et est peu onéreuse. Elle constitue un substitut idéal au kalliroscope dont la production est terminée depuis quelques années. La deuxième partie de la thèse est consacrée à l’influence de la convection naturelle sur un écoulement de Taylor-Couette à grand rapport d’aspect. Cette étude à permis de mettre en lumière les motifs présents dans cette configuration. La transition de l’état de base vers le régime turbulent a été étudiée pour une valeur fixe du nombre de Grashof (Gr=4000) et un nombre de Taylor variant de 11 à 200. Les résultats de la deuxième partie nous ont permis de valider une étude numérique réalisée pour la même configuration. L’étude expérimentale de la convection naturelle turbulente dans une cavité annulaire stationnaire est étudiée dans le dernier chapitre pour des nombres de Rayleigh élevés (3⋅10^5
Abstract
This thesis is part of the field of experimental fluid physics. It is devoted to the experimental study of natural convection in an annular cavity with stationary or rotating inner cylinder. The first part of the thesis is dedicated to the discovery and validation of a new rheoscopic solution. In addition to providing satisfactory visualization results, this solution is environmentally friendly and inexpensive. It constitutes an ideal substitute for the Kalliroscope, which production ended several years ago. The second part of the thesis is devoted to the influence of natural convection on a large aspect ratio Taylor-Couette flow. This study shed light on the patterns present in this configuration. The transition from the base state to the turbulent regime was studied for a fixed value of the Grashof number (Gr=4000) and a Taylor number ranging from 11 to 200. The results of the second part allowed us to validate a numerical study carried out for the same configuration. The experimental study of turbulent natural convection in a stationary annular cavity is studied in the last chapter for high Rayleigh numbers (3⋅10^5
Μοdélisatiοn, οptimisatiοn et gestiοn d’énergie d’une centrale hybride à énergie renοuvelable
Doctorant·e
IBRAHIM OMAR Chaker
Direction de thèse
HOUIVET David (Directeur·trice de thèse)
Date de la soutenance
12/12/2023 à 09:00
Lieu de la soutenance
Amphithéâtre ESIX-GSI de Cherbourg - 60 rue Max-Pol Fouchet · CS 20082 · 50130 Cherbourg-en-Cotentin
Rapporteurs de la thèse
MIGAN-DUBOIS ANNE Université Paris Saclay
TALBERT THIERRY Maître de conférences HDR UNIVERSITE PERPIGNAN VIA DOMITIA
Membres du jurys
CHERIFI Abderrezzak,
,
UNIVERSITE VERSAILLES ST QUENT
DUCHESNE STEPHANE,
,
Universite Artois
HOUIVET David,
Maître de conférences HDR,
Université de Caen Normandie (UCN)
MIGAN-DUBOIS ANNE,
,
Université Paris Saclay
REBOUL Jean-Michel,
Maître de conférences,
Université de Caen Normandie (UCN)
TALBERT THIERRY,
Maître de conférences HDR,
UNIVERSITE PERPIGNAN VIA DOMITIA
Résumé
La transition énergétique impose aujourd’hui aux réseaux d’électricité des profondes mutations. La croissance des besoins couplée à l’intégration massive de sources de production renouvelables et intermittentes met leur stabilité en péril. Associées aux solutions informatiques développées par la filière Smart Grids, le recours aux technologies de stockage constitue l’une des solutions pour pallier les périodes de sur- ou de sous-production. Il faut donc gérer des situations nouvelles : surproduction d’électricité en période de faible consommation et sous-production en période de pointe. Pour répondre à cette problématique, cette thèse se concentre sur l'analyse et l'optimisation de la gestion d'énergie d'un système hybride à énergie renouvelable, installé à l'Université de Djibouti. Le système intègre des composants tels qu'une installation photovoltaïque de 19 kW, une éolienne de 6,5 kW et un parc de batteries de 52 kWh le tout reliés au réseau électrique. Cette étude, débute par une évaluation du potentiel énergétique à partir des données recueillies par une station météo spécialement installée sur le site. Pour l'année 2022, les données ont révélé que le champ photovoltaïque de 125 m² a produit 333 MWh/an, ce qui représente une nette supériorité par rapport à la production annuelle de l'éolienne couvrant 22 m², qui atteint seulement 2,771 MWh. Ensuite, une modélisation minutieuse des flux énergétiques du site, validée au moyen de simulations adaptées à chaque composant, a été réalisée. Pour le système éolien, un modèle basé sur les équations fondamentales de la puissance éolienne a été choisi et validé sous Matlab/Simulink en déterminant un coefficient approprié, puis en l'utilisant pour simuler la puissance de sortie de l'éolienne avec des données réelles. En ce qui concerne le système solaire, les modèles basés sur des équations mathématiques ont été employées pour simuler l'installation photovoltaïque, puis les résultats ont été comparés à l'installation réelle. Quant aux stockages, nous avons simulé l'état de charge des batteries en utilisant les données réelles de consommation ainsi que les données météorologiques du site, puis nous avons comparé le SOC simulé au SOC réel des batteries installées sur site. Enfin, cette recherche propose trois stratégies de gestion d'énergie basées sur une approche hybride intégrant deux algorithmes de gestion : la programmation linéaire et un algorithme basé sur des règles logiques. Ces stratégies ont pour objectif d'améliorer l'anticipation et l'optimisation du flux énergétique du site. Pour évaluer les performances des deux algorithmes, trois scénarios extrêmes basés sur la réalité du site ont été définis. L'objectif de ces scénarios étaient d'évaluer les performances et la robustesse des algorithmes de gestion d'énergie et de mieux comprendre comment gérer efficacement l'excédent d'énergie tout en minimisant la dépendance au réseau électrique. Les résultats des simulations mettent en évidence la supériorité de la stratégie qui fixe l'état de charge SOCmin à 30% en minimisant les coûts d'énergie provenant du réseau et en maximisant l'excès d'énergie injectée vers l'université.
Abstract
The energy transition is currently imposing profound changes on electricity networks. The growth in demand, coupled with the extensive integration of renewable and intermittent production sources, puts their stability at risk. Alongside the IT solutions developed in the Smart Grid sector, the use of storage technologies is one of the solutions to mitigate periods of over- or under-production. Therefore, there is a need to manage new situations: overproduction of electricity during periods of low consumption and underproduction during peak times. To address this issue, this thesis focuses on the analysis and optimization of energy management in a renewable energy hybrid system installed at the University of Djibouti. The system includes components such as a 19 kW photovoltaic installation, a 6.5 kW wind turbine, and a 52 kWh battery park, all connected to the electrical grid. This study begins with an evaluation of the energy potential based on data collected by a specially installed weather station on the site. For the year 2022, the data revealed that the 125 m² photovoltaic field produced 333 MWh per year, which is significantly superior to the annual production of the 22 m² wind turbine, which only reached 2.771 MWh. Subsequently, a meticulous modeling of the energy flows on the site, validated through component-specific simulations, was conducted. For the wind system, a model based on fundamental wind power equations was chosen and validated using Matlab/Simulink by determining an appropriate coefficient, then using it to simulate the turbine's output power with real data. Regarding the solar system, models based on mathematical equations were employed to simulate the photovoltaic installation, and the results were compared to the actual installation. As for the storage, we simulated the state of charge of the batteries using real consumption data and site-specific meteorological data, then compared the simulated state of charge to the actual state of charge of the batteries installed on-site. Finally, this research proposes three energy management strategies based on a hybrid approach integrating two management algorithms: linear programming and a rule-based algorithm. These strategies aim to enhance the anticipation and optimization of the site's energy flow. To evaluate the performance of the two algorithms, three extreme scenarios based on the site's reality were defined. The objective of these scenarios was to assess the performance and robustness of the energy management algorithms and to better understand how to efficiently manage excess energy while minimizing reliance on the electrical grid. The simulation results highlight the superiority of the strategy that sets the state of charge SOCmin to 30%, minimizing energy costs from the grid and maximizing the surplus energy injected into the university.
