LMA - Laboratoire de Mécanique et d’Acoustique

[2022] Modélisation de l’endommagement du combustible RNR basée sur l’analyse d’images

Champs scientifiques :
- Sciences de l’ingénieur
- Matériaux
- Numérique
Mots clés : fissuration, thermomécanique, analyse d’image

Description du sujet
L’analyse de la sûreté des réacteurs nucléaires de 4ème génération passe par une modélisation fine du comportement thermomécanique de leur combustible. Ce combustible se présente sous la forme de pastilles de dioxyde d’uranium et de plutonium insérées dans une gaine métallique. Durant leur irradiation en réacteur, les pastilles sont sujettes à un gradient de température particulièrement fort et à une modification de leur composition qui induisent une fragmentation importante.

Ce sujet s’intéresse à la modélisation de l’endommagement des pastilles combustibles, et à l’identification d’un modèle dédié à partir d’analyses d’images. L’objectif est de prédire la formation et la localisation des fissures afin d’améliorer la prédiction de 2 grandeurs : d’une part, les volumes libres pendant et après l’irradiation, et d’autre part, la température de la pastille, notamment en situation transitoire de baisse débit. Cette thèse s’inscrit dans la continuité de travaux en cours sur la description du rattrapage de jeu pastille gaine (Temmar2019) (Barani2021), et sur le phénomène d’ancrage entre pastille et gaine (Bajard2020) (Blanc2020).

Le travail de thèse proposé consistera dans un premier temps à proposer une procédure spécifique pour analyser la phénoménologie de la formation des fissures dans le combustible, via une observation de coupes métallographies existantes sur des combustibles irradiés (utilisation des travaux de Cappia2020). Dans un second temps, l’étudiant s’attachera à simuler par éléments-finis les sollicitations mécaniques subies par la pastille combustible pendant l’irradiation, avec un outil de simulation 2D. Un modèle d’endommagement permettant de décrire la formation des fissures radiales lors de la montée en puissance sera développé à partir d’une approche énergétique de la fissuration du matériau fragile et avec la méthode des champs de phase (FrancfortMarigo1998) (Miehe2010). Il sera ensuite nécessaire de coupler la résolution thermo-mécanique avec les phénomènes spécifiques à l’irradiation : le rattrapage de jeu, la redistribution de matière et la restructuration, ceux-ci étant déjà traités par ailleurs (Temmar2019) (Barani2021). Ce couplage permettra de décrire la guérison des fissures radiales et l’évolution des pastilles sous irradiation. On s’intéressera enfin à modéliser la création des fissures circonférentielles et l’ouverture du jeu pastille-gaine lors des retours à froid. La modélisation mise en place durant la thèse permettra également d’améliorer la description de l’état mécanique du combustible RNR pendant les transitoires de débit et de valider cette modélisation par des observations expérimentales.

La thèse se déroulera au CEA Cadarache, au sein du Département d’Études des Combustibles. Le doctorant sera accueilli au du Service d’Études et de Simulation du comportement des Combustibles qui développe notamment la plateforme de Simulation PLEIADES, il sera amené à travailler également avec le Service d’Analyses, d’Élaboration, d’Expérimentations et d’Examens des combustibles.

En plus d’apporter un soutien scientifique, la collaboration avec le Laboratoire de Mécanique et d’Acoustique (LMA) du CNRS, au sein du laboratoire commun MISTRAL, permettra au doctorant d’avoir un aperçu de la recherche académique.

Profil du candidat

Le ou la candidat(e) doit idéalement avoir une bonne culture en mécanique du solide et une certaine appétence pour le numérique à la fois pour développer des outils d’analyse d’image et des modèles numérique pour décrire la fissuration de milieux solides.

Date limite de candidature : 30/06/2022

Voir en ligne : plus de détails concernant l’offre de thèse

Articles similaires

Equipe