Une approche numérique robuste pour la description de la rupture fragile et du comportement viscoplastique des crayons de combustible

A robust numerical approach for the description of brittle fracture and viscoplastic behavior of fuel rods

• Auteur / Autrice : David Siedel
• Direction : Jacques Besson
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 02/12/2019
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MAT - Simulation des matériaux et des structures - SIMS
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université de Recherche Paris Sciences et Lettres (2015-2019)

Mots clés

Mots clés libres

Méthodes Hybrides d'Ordre Élev

Approche variationnelle de la rupture

Modèles micromorphes

Champs de phase

Rupture fragile

Hybrid High Order methods

Variational approach to fracture

Micromorhic models

Phase-field

Brittle fracture

Résumé

Le crayon combustible des réacteurs nucléaires à eau pressurisée du parc nucléaire électrogène français se présente comme un empilement de pastilles de céramique de dioxyde d'uranium dans un tube en alliage de zirconium. Ces pastilles, d'un rayon de 4 mm, présentent sous irradiation un comportement mécanique complexe : écoulement viscoplastique quasi-incompressible activé par l'irradiation, fissuration fragile dès la première montée en puissance, contact entre le combustible et la gaine, fragmentation des joints de grains, etc. La simulation de ces phénomènes est un enjeu important qui demande de disposer de moyens de résolution robustes et efficaces. Les durées mises en jeu nécessitent une approche quasi-statique: l'irradiation d'un crayon en réacteur dure plusieurs années. Cette thèse porte en particulier sur le traitement de la fissuration fragile de la pastille de combustible, qui présente une double singularité spatiale (création de surface dans un volume) et temporelle (propagation instable de la fissure en quasi-statique) tout en traitant de manière rigoureuse la quasi-incompressibilité lié à l'écoulement viscoplastique, ce qui ne peut être fait avec les méthodes des éléments finis standards (phénomènes de verrouillage). Pour cela, nous nous proposons d'utiliser une méthode hybride d'ordre élevé (HHO), dont l'utilisation en mécanique est très récente et qui permet de traiter des écoulements incompressibles importants sans difficultés. La fissuration sera décrite dans le cadre énergétique rigoureux apportés par la méthode des champs de phases qui régularisent spatialement les fissures. Une fois validés, ces développements seront introduits dans le code de calcul ‘Cast3M' développé par le CEA.

The nuclear fuel rod in pressurized water reactors deployed in France is a stack of uranium dioxide ceramic pellets in a zirconium alloy tube. These pellets, with a radius of 4 mm, display under irradiation a complex mechanical behavior : almost incompressible viscoplastic flow activated by irradiation, brittle cracking from the first ramp-up, contact between the fuel and the sheathing, fragmentation of grain joints, etc. Simulating these phenomena is an important challenge that requires robust and effective means of resolution. The time scales at play for the study of a rod under irradiation (several years) demands a quasi-static approach. This thesis focuses in particular on the resolution of the brittle fracture of the fuel pellet, which displays a double singularity in space (creation of a surface in a volume) and time (unstable propagation of the crack as seen from the quasi-static standpoint) by handling the incompressible behavior of the fissile material, which cannot be done with the standard finite element method (locking phenomena). For this purpose, we propose to use a hybrid high order method (HHO), which has been recently introduced in mechanics and which allows to process large incompressible flows without difficulties. The fracture will be described in the energy framework brought by a phase fields method which spatially regularizes the crack discontinuity. Once validated, these developments will be implemented in the ‘Cast3M' finite element solver developed by the CEA.