Approche micromécanique du comportement du combustible dioxyde d'uranium

Micromechanical approach of behavior of uranium dioxide nuclear fuel

• Auteur / Autrice : Julian Soulacroix
• Direction : Laurent Barrallier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 06/10/2014
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Mechanics surfaces and materials processing
• Jury : Président / Présidente : Marc Fivel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Barrallier, Charles Petry, Régis Kubler, Bruno Michel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thomas Pardoen, Alain Hazotte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dioxyde d'uranium

Éléments finis, Méthode des

Micromécanique (ingénierie)

Mots clés libres

Dioxyde d'uranium

Micromécanique

Modélisation

Rupture

Plasticité cristalline

Transition d'échelle

Uranium dioxide

Micromechanics

Modeling

Fracture

Crystal plasticity

Scale bridging

Résumé

Le dioxyde d'uranium (UO2) est le combustible de référence pour les réacteurs nucléaires à eau pressurisée. Notre étude traite de la compréhension et de la modélisation du comportement mécanique, dans les domaines basse température (rupture fragile) et haute température (déformation viscoplastique), à l'échelle de la microstructure. Dans un premier temps est présentée une étude des propriétés géométriques des polycristaux en général et du polycristal d'UO2 en particulier. Nous montrons que nous pouvons reproduire des agrégats polycristallins réalistes et économes en nombre d'éléments. Pour améliorer les connaissances du comportement de ce matériau dans le domaine de rupture fragile, nous avons développé une méthode expérimentale permettant de mieux comprendre le phénomène de rupture fragile à l'échelle du grain. Nous montrons que la rupture est entièrement intragranulaire et que les plans {100} semblent être les plans préférentiels pour cette rupture. Les résultats expérimentaux obtenus sont directement utilisés pour formuler une loi de comportement de rupture fragile intragranulaire à l'échelle du cristal, utilisée ensuite dans des calculs de rupture fragile sur un polycristal tridimensionnel. Le calcul est réalisé en champ complet, donnant ainsi accès à l'amorçage et à la propagation de la fissure à travers les grains. Enfin, nous avons développé une modélisation du comportement de l'UO2 dans le domaine viscoplastique. Nous présentons tout d'abord une loi de comportement à l'échelle macroscopique qui inclut un effet de vieillissement par migration de défauts vers les dislocations. Dans un second temps, nous avons développé une loi de comportement de type plasticité cristalline adaptée à l'UO2, incluant les effets de rotation de réseau. Nous présentons des exemples de calculs sur polycristaux.

Uranium dioxide (UO2) is the reference fuel for pressurized water nuclear reactors. Our study deals with understanding and modeling of mechanical behavior at the microstructure scale at low temperatures (brittle fracture) and high temperature (viscoplastic strain). We have first studied the geometrical properties of polycrystals at large and of UO2 polycrystal more specifically. As of now, knowledge of this behavior in the brittle fracture range is limited. Consequently, we developed an experimental method which allows better understanding of brittle fracture phenomenon at grain scale. We show that fracture is fully intra-granular and {100} planes seem to be the most preferential cleavage planes. Experimental results are directly used to deduce constitutive equations of intra-granular brittle fracture at crystal scale. This behavior is then used in 3D polycrystal simulation of brittle fracture. The full field calculation gives access to the initiation of fracture and propagation of the crack through the grains. Finally, we developed a mechanical behavior model of UO2 in the viscoplastic range. We first present constitutive equations at macroscopic scale which accounts for an ageing process caused by migration of defects towards dislocations. Secondly, we have developed a crystal plasticity model which was fitted to UO2. This model includes the rotation of the crystal lattice. We present examples of polycrystalline simulations.