Simulation multiphysique du phénomène de rattrapage du jeu pastille-gaine dans les aiguilles combustibles des réacteurs à neutrons rapides

Multi-physics simulation of the pellet-to-cladding gap closure phenomenon in fuel pins of fast neutron reactors

• Auteur / Autrice : Mourad Temmar
• Direction : Nicolas Favrie, Bruno Michel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique des solides
• Date : Soutenance le 09/12/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de simulation des combustibles (CEA Cadarache) - Institut universitaire des systèmes thermiques industriels, IUSTI (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Dufour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Longuet, Isabelle Ramière, Solène Gicquel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Serge Kruch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Réacteurs à neutrons rapides

Combustibles nucléaires -- Gaines

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Modélisation muti-physiques

Mécaniques

Migration de porosité

Couplage code

Comportement de l’aiguille combustible sous irradiation

Multiphysics modelling

Mechanics

Porosity migration

Code coupling

Fuel pin behaviour under irradiation

Résumé

L'objectif de cette thèse est d’améliorer la modélisation des phénomènes responsables du rattrapage du jeu séparant initialement le combustible de la gaine qui l’entoure. Une simulation réaliste du phénomène de rattrapage de jeu permet de mieux évaluer la température du combustible, grandeur cruciale pour garantir le respect du critère de non-fusion du combustible. Dans un premier temps, les phénomènes responsables du rattrapage du jeu combustible-gaine sont identifiés. La réduction de taille du jeu combustible-gaine semble être liée principalement à deux phénomènes: la fragmentation du combustible et la migration des porosités. À l’aide de simulations, l’impact de ces deux phénomènes a pu être représenté. Dans un deuxième temps, une formulation 1D permettant de représenter ces deux phénomènes est proposée. Le rattrapage du jeu combustible-gaine est simulé à l’aide d’une déformation anélastique et la migration des porosités est représentée par l’équation d’advection. Cette formulation est ensuite implémentée dans le schéma de calcul multi-physique du code de calcul 1D RNR GERMINAL. Grâce à ces nouveaux développements, la température du combustible obtenue est en meilleure adéquation avec les résultats expérimentaux. Dans notre modélisation 1D, nous avons fait l’hypothèse que la vitesse de migration des porosités fermées et ouvertes était identique. Or dans la littérature, seule la vitesse de migration des porosités fermées a été évaluée. Notre hypothèse reste donc à être validée. Une contribution à cette validation est proposée avec une analyse 2D des mécanismes de transfert par évaporation condensation au voisinage des surfaces libres créées par les fissures

The aim of this thesis is to improve the comprehension and modeling the phenomena responsible of the closure of the gap, separating initially the fuel from its surrounding cladding. A realistic simulation of the gap closure phenomenon leads to a better evaluation of the fuel temperature, which is of the first importance to meet the fuel non-fusion criterion requirement. Firstly, phenomena responsible of the fuel-to-cladding gap closure are identified. The size reduction of the fuel-to-cladding gap seems to be mainly related to two phenomena. The first one, is the effect of fuel fragmentation. The second one is related to the migration phenomenon of porosities. Thanks to 3D simulations, the impact of these two phenomena is represented. In a second step, a 1D formulation derived from 3D simulations is proposed. This formulation includes the two identified phenomena. The fuel-to-cladding gap closure is simulated by an inelastic strain called relocation strain while the porosities migration is modeled through an advection equation. This formulation is then implemented in the multiphysics computation scheme of the GERMINAL SFR 1D software. Thanks to these new developments, the fuel temperature obtained is in better agreement with the experimental results. In our 1D modeling, we have assumed that the migration velocities of the closed and open porosities are the same. However in the literature, only the closed porosity migration velocity has been evaluated. Our hypothesis therefore remains to be validated. A contribution to this validation is proposed with a 2D analysis of the evaporation condensation transfer mechanism near the free surfaces created by cracks