Jury

• Directeur de these M. Mihail GARAJEU Aix Marseille Université
• Rapporteur M. Eric LORENTZ IMSIA
• Rapporteur M. Martin I IDIART Université de La Plata
• Examinateur Mme Carole NADOT École Nationale Supérieure de Mécanique et d’Aérotechnique (ENSMA)
• Examinateur M. Djimédo KONDO Sorbonne Université
• Examinateur M. Bruno MICHEL CEA Cadarache
• Examinateur M. Thomas HELFER CEA Cadarache
• CoDirecteur de these M. Renaud MASSON CEA Cadarache

Résumé

La thèse s’intéresse au comportement des combustibles oxydes mixtes uranium plutonium (MOX), utilisés dans les réacteurs nucléaires REP du parc français. Ce combustible ressemble à un composite constitué d’une phase matrice et de deux phases d’inclusion ; les phases se distinguant par leur teneur en plutonium. Lors de transitoires thermiques menés sur ces combustibles irradiés, transitoires représentatifs de situations accidentelles de type perte de réfrigérant primaire, le MOX peut être le siège de dilatations différentielles pouvant potentiellement conduire à son endommagement. L’objectif de ce travail est donc d’étudier les conditions d’apparition et de propagation de l’endommagement dans un composite particulaire représentatif du combustible MOX. Tout d’abord, on aborde la question du critère d’amorçage de l’endommagement. On génère, à cet effet, des microstructures périodiques biphasées (matrice et une phase d’inclusions) simplifiant la microstructure du composite représentatif du combustible. Les inclusions sont tirées de façon aléatoire dans l’élément de volume avec l’algorithme RSA. Après avoir passé en revue les différents critères d’amorçage possibles pour les structures homogènes, on évalue la possibilité de les étendre aux milieux hétérogènes considérés. Le critère permettant de décrire au mieux l’amorçage est un critère basé sur un bilan énergétique dans une microstructure simple : la sphère composite. Le critère d’amorçage obtenu est fonction uniquement de paramètres matériaux (modules élastiques, taux de restitution d’énergie critique) et microstructuraux (taille des inclusions, fraction volumique). Ensuite, on met en œuvre des calculs à champs complets sur les microstructures simplifiées générées, pour une situation de chargement simplifiée, mais représentative du problème initial : composite simulé libre de contraintes sur son bord et déformation libre imposée dans les inclusions. Les calculs à champs complets sont menés avec la méthode Éléments Finis. Les deux phases ont un comportement élastique et la matrice a un comportement fragile. Deux modèles d’endommagement fragile sont comparés : un modèle d’endommagement local anisotrope (modèle de référence pour la simulation du comportement du combustible) et un modèle d’endommagement non local isotrope (modèle champs de phase). Lors de cette comparaison, deux géométries distinctes de surface de fissure ont été observées (localisée pour DDIF-2, diffuse pour le modèle champ de phase). On retient, à l’issue de cette étude, le modèle isotrope (modèle champ de phase) qui sert de référence à laquelle se rapporteront les modèles développés dans la suite de la thèse, qui sont basés sur des approches en champs moyens. Ce choix est motivé par le fait qu’on ne dispose pas de cadre variationnel évident pour le modèle DDIF-2. Enfin, dans la dernière partie de la thèse, sont présentées plusieurs approches à champ moyen basées sur des principes variationnels. Tout d’abord, en conservant le principe variationnel utilisé pour les calculs à champs complets, une borne supérieure du comportement effectif peut être établie. Ensuite, nous investiguons des formulations compatibles avec des principes variationnels formulés de manière incrémentale . Les potentiels correspondant à ces formulations sont ensuite linéarisés suivant deux approches distinctes : l’approche sécante modifiée, et l’approche du second ordre . Les avantages et inconvénients de chacun sont discutés pour un cas de chargement particulier. Ces considérations nous permettent de définir le modèle d’endommagement qui sera à terme implémenté dans les codes de calcul du CEA afin de simuler le comportement du crayon combustible dans les situations les plus variées possibles.