Etude des propriétés thermomécaniques des écoulements d'hydrogène solide // Study of the thermomechanical properties of solid hydrogen flows

Le Département des Systèmes Basses Températures (DSBT) de l’IRIG développe plusieurs thématiques de recherche autour de l’hydrogène solide cryogéniques et ses isotopes. Les applications de cette recherche vont de la production de cibles d’hydrogène solide micrométriques renouvelables pour la génération de protons de forte énergie pour l'accélération laser-plasma, à la formation et l’injection de glaçons d’hydrogène de taille millimétrique ou centimétrique pour l’alimentation et le contrôle du plasma dans les réacteurs de fusion par confinement magnétique ou inertiel. Une problématique transverse à ces applications réside dans la connaissance fine des propriétés mécaniques de l'hydrogène solide, que cela soit pour mieux comprendre la physique d’extrusion et de production des cibles ou celle de la formation et de l’accélération des glaçons pour leur injection dans les plasmas de fusion.
Le sujet de cette thèse se focalise sur l’étude de l’extrusion de l’hydrogène solide sous pression. Sur cette technologie, le DSBT développe depuis plus de 10 ans plusieurs cryostats permettant la production de ruban d’hydrogène solide, dont la taille varie de quelques millimètres à quelques dizaines de micromètres, extrudés à des vitesses de quelques millimètres par seconde.
L’axe principal de recherche est une meilleure compréhension des mécanismes d’extrusion pour permettre le développement d’outils prédictifs numériques de conception de système d’extrusion. Cette thèse expérimentale reposera sur de la rhéométrie cryogénique basée sur un rhéomètre capillaire et/ou une expérience de couette développée au cours d’une précédente thèse. Cette étude se fera en collaboration avec le Laboratoire de Rhéologie et Procédés du l’Université Grenoble Alpes.

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IRIG's Department of Low Temperature Systems (DSBT) is developing several research themes around cryogenic solid hydrogen and its isotopes. The applications of this research range from the production of renewable micrometre-sized solid hydrogen targets for the generation of high-energy protons for laser-plasma acceleration, to the formation and injection of millimetre- or centimetre-sized hydrogen ice cubes for the supply and control of plasma in fusion reactors using magnetic or inertial confinement. A cross-cutting issue in these applications is the need for a detailed understanding of the mechanical properties of solid hydrogen, in order to gain a better understanding of the physics of extrusion and target production, as well as the formation and acceleration of icicles for injection into fusion plasmas.
The subject of this thesis focuses on the study of solid hydrogen extrusion under pressure. Using this technology, the DSBT has been developing several cryostats for over 10 years, enabling the production of ribbons of solid hydrogen, ranging in size from a few millimetres to a few tens of micrometres, extruded at speeds of a few millimetres per second.
The main objective of the research is to gain a better understanding of extrusion mechanisms to enable the development of numerical predictive tools for extrusion system design. This experimental thesis will be based on cryogenic rheometry using a capillary rheometer and/or a duvet experiment developed during a previous thesis. This study will be carried out in collaboration with the Laboratoire de Rhéologie et Procédés at Grenoble Alpes University.

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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble
Service : DSBT
Laboratoire : Laboratoire Cryogénie Fusion
Date de début souhaitée : 01-10-2025
Ecole doctorale : Ecole Doctorale de Physique de Grenoble (EdPHYS)
Directeur de thèse : LUCHIER Nicolas
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRIG/DSBT/L3C

Financement public/privé

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble
Service : DSBT

thermique, physique de la matière