Identification multiéchelle et réduction par NTFA du comportement élasto viscoplastique polycristallin du dioxyde d'uranium (UO2) en condition d'insertion de réactivité

Multiscale identification and model reduction by NTFA of elasto viscoplastic behaviour of polycrystalline uranium dioxide (UO2) under reactivity insertion loading

• Auteur / Autrice : Julien Labat
• Direction : Jean-Claude Michel, Rodrigue Largenton, Bruno Michel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des Solides
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMA, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique (UMR 7031 ; CNRS, Ecole Centrale de Marseille, Aix-en-Provence) - Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique [Marseille]
• Jury : Président / Présidente : Carole Nadot-Martin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bruno Michel, Yann Monerie, Renald Brenner
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yann Monerie

Mots clés

Mots clés libres

Élasto-viscoplasticité

Réduction de modèle NTFA

Polycristal

Micromécanique

Identification inverse

Dioxyde d’uranium UO2

Elasto-viscoplasticity

Model reduction NTFA

Polycrystal

Micromechanics

Inverse identification

Dioxide of uranium UO2

Résumé

Les études de sûreté nucléaire, réalisées avec des codes industriels de simulation du comportement thermomécanique du crayon combustible, nécessitent des temps de calcul raisonnables afin de simuler tous les scénarios possibles et envisageables au sein d’un Réacteur à Eau Pressurisée (REP). Au-delà du comportement effectif de la pastille combustible, il est parfois intéressant de descendre en échelle pour étudier des phénomènes locaux. Une première approche consisterait à effectuer une résolution Élément Finis au carré (EF2) où dans un premier maillage défini à l’échelle de la pastille est résolu à chaque point d’intégration un problème thermomécanique sur un Volume Élémentaire Représentatif. Ceci est coûteux en temps de calcul, ce qui n’est pas envisageable au sein des codes industriels. Il est alors envisagé de remplacer la deuxième résolution par une méthode de réduction de modèle, basée sur l’approche Nonuniform Transformation Field Analysis (NTFA). Cette méthode permet l’accès aux grandeurs macroscopiques et aux champs locaux tout en réduisant radicalement les temps de simulation. Cette étude présente une modélisation micromécanique du comportement du combustible de dioxyde d’uranium (UO2), céramique polycristalline utilisée dans les REP, pour des sollicitations typiques d’un accident d’insertion de réactivité (RIA). Au-delà d’une certaine température, l’UO2 a un comportement élasto-viscoplastique avec écrouissage dépendant des conditions de sollicitation en température et vitesse de déformation macroscopique. Dans un premier temps, via l’approche en champ complet, une identification inverse de la loi d’évolution locale monocristalline est réalisée à partir de données expérimentales obtenues à l’échelle locale puis macroscopique. Dans un deuxième temps, le modèle NTFA TSO (Tangent Second Order) est développé et appliqué au problème en question. Deux décompositions de la variable d’écrouissage sont étudiées. Ensuite, un travail est effectué pour intégrer les conditions de sollicitations, à savoir températures et vitesses de déformation spécifiques au RIA, dans le modèle NTFA. Enfin, les résultats issus de l’expérimental, du modèle en champ complet et du modèle NTFA TSO sont confrontés aux échelles macroscopique et locale pour des chargements uniaxés, triaxés et quelconques.Mots clés : élasto-viscoplasticité, réduction de modèle NTFA, polycristal, micromécanique, identification inverse, dioxyde d’uranium UO2

Industrial codes designed for the simulation of the thermomechanical behaviour of the fuel rod are used for nuclear safety studies. It requires reasonable computational times in order to simulate all scenarios within a Pressurized Water Reactor (PWR). Beyond the macroscopic behaviour of the fuel pellet, it is sometimes interesting to go down in scale to study local phenomena. A first approach would be to perform a Finite Element Method squared to two (FEM2) resolution. It consists to solve a thermomechanical problem on a first mesh defined at the pellet scale where at each integration point is solved another thermomechanical problem on a Representative Elementary Volume. This is time consuming, which is not conceivable within industrial codes. It is then studied to replace the second resolution by a model reduction method based on the Nonuniform Transformation Field Analysis (NTFA) approach. This method allows access to macroscopic quantities and local fields while drastically reducing the computational time. This study presents a micromechanical modelling of the behaviour of uranium dioxide fuel (UO2), a polycrystalline ceramic used in PWRs, for loading condition typical of a reactivity initiated accident (RIA). Above a specific temperature, UO2 has an elasto-viscoplastic behaviour with strain hardening depending on the temperature and macroscopic strain rate. In a first step, via a full-field approach, an inverse identification of the local single crystal evolution law is performed based on experimental data obtained at the local and then at the macroscopic scales. In a second step, the NTFA TSO (Tangent Second Order) model is developed and applied to the problem at hand. Two decompositions of the strain hardening variable are studied. Then, work is done to integrate the specific loading conditions, i.e. temperatures and strain rates of the RIA, into the NTFA model. Finally, the results from the experimental, full-field and NTFA TSO models are compared at the macroscopic and local scales for uniaxial, triaxial and arbitrary loading.