Modélisation des mécanismes de fragmentation du combustible UO2 en situation de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP)

Modelling of UO2 fuel fragmentation mechanisms during a loss of coollantaccident

• Auteur / Autrice : Julien Bonnet
• Direction : Yann Monerie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie civil et architecture
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Riccardo Artoni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yann Monerie, Riccardo Artoni, Vincent Legat, Olivier Pouliquen, Frédéric Péralès, Frédéric Dubois, Renaud Masson, Emmanuelle Muller
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Legat, Olivier Pouliquen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulements granulaires immergés

Produits de fission

Dioxyde d'uranium

Mots clés libres

Aprp

Fragmentation-Relocalisation-Éjection du combustible

Gaz de fission

Zone cohésive

Écoulement granulaire immergé

Méthode des éléments discrets (DEM)

Loca

Fuel fragmentation-Relocalisation-Dispersal

Fission gas

Cohesive zone model

Immersed granular flows

Discrete element method (DEM)

Résumé

Des expériences récentes ont permis d’identifier les mécanismes de fragmentation du combustible UO2 en situation de transitoire thermique de type APRP. Cette thèse a pour objectif d’étudier ces mécanismes afin d’améliorer la compréhension et la modélisation de la fragmentation.Le premier mécanisme étudié est l’effet de la pressurisation des bulles de gaz de fission présentes au sein du matériau. Pour cela, la contrainte engendrée par la pressurisation de ces bulles est estimée et les incertitudes associées sont quantifiées. Cette étude s’appuie sur (1) une analyse des équations d’état permettant de déterminer la pression des cavités, (2) une évaluation de l’état du matériau à l’issue de l’irradiation de base (porosité, quantité de gaz, ...) à partir de résultats de simulation et d’examens post-irradiatoires, (3) une estimation de la contrainte qui prend en compte la forme non-sphérique des bulles observées en 3D au MEB-FIB.Le second mécanisme étudié est l’effet d’une chute de la pression appliquée au combustible due à la perte d’étanchéité du crayon. La fissuration du combustible en transitoire est modélisée par le biais d’un modèle couplant la méthode des éléments discrets (DEM) et un modèle de zones cohésives (CZM). L’analyse paramétrique du modèle DEM-CZM permet d’identifier les paramètres représentatifs du comportement à rupture du combustible lors de recuit à pression de confinement contrôlée (pression uniforme). Sur la base des résultats obtenus, un critère d’amorce de fissure est établi.Le comportement à rupture du combustible lors de la perte d’étanchéité du crayon (gradient axial de pression le long de la colonne fissile) est ensuite simulé grâce au modèle DEM-CZM. Les résultats permettent de conclure que le critère d’amorce de fissure proposé est applicable au cas d’une chute de pression non-uniforme. Le modèle est enfin couplé à une modélisation des écoulements granulaires immergés et l’éjection des fragments hors de la gaine est étudiée. Les résultats suggèrent une forte influence de la forme des fragments (polyédrique ou sphérique) sur la quantité éjectée.

Recent experiences allowed to identify the UO2 fuel fragmentation mechanisms during a LOCA type thermal transient. This PhD thesis aims to study these mechanisms to enhance the understanding and the modeling of fragmentation.The first mechanism which is studied is the effect of the pressure of fission gas bubbles that are present in the material. To achieve this, the stress induced by the bubble pressurisation is estimated and the uncertainty associated are quantified. This study draws upon (1) an analysis of the equation of state that allows the determination of the cavity pressure, (2) an assessment of material state after irradiation (porosity, gas quantity, ...) from the results of simulation and post-irradiation examinations (3) an estimate of the stress taking into account the non-spheric bubble shape observed in 3D by MEB-FIB. The second mechanism studied is the effect of a drop of the pressure applied to the fuel due to a loss of sealing. To do so, the fuel fissuration during a transient is simulated by a model coupling the discret element method (DEM) and a cohesive zone model (CZM). The parametrical analysis of the DEM- CZM model allows the identification of the parameters representative of the fracture behavior of the fuel during an annealing test at controlled pressure (pression uniform). Based ont the results obtained, a crack initiation criteria is established.The fracture behavior of the fuel during the loss of sealing (axial pressure gradient along the fissile stack) is simulated with the DEM-CZM model. The results uphold the conclusion that the proposed crack initiation criteria can be applied to the case of a non-uniform pressure drop. The model is then coupled to a immersed granular flow modeling and the fragments dispersal out of the cladding is studied. The results suggest a strong influence of the fragments shape (polyhedric or spherical) on the dispersed quantity.