Modélisation de la relocalisation du combustible en fonction de la déformation du gainage en situation accidentelle

• Auteur / Autrice : Adrien Nusslé
• Direction : Yann Monerie
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique, Génie Civil et Architecture
• Date : Inscription en doctorat le 03/04/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMGC - Laboratoire de Mécanique et Génie Civil
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Mécanique Théorique, Interface et Changements d'échelles (MeTICE)

Mots clés

Mots clés libres

Fragmentation

Milieux granulaires

Rupture

Failure

Cracking

Granular media

Résumé

Le Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA) est un organisme acteur majeur de la recherche, du développement et de l'innovation, notamment dans le domaine des énergies bas carbone (nucléaire et renouvelables). L'élément combustible utilisé dans les réacteurs qui constituent l'essentiel du parc électronucléaire français est constitué de pastilles cylindriques empilées dans une gaine en alliage de zirconium fermée (crayon combustible). La gaine constitue la première barrière de confinement des matières radioactives. Lors du séjour des éléments combustibles en réacteur, de nombreux phénomènes physiques (fissuration, écoulement viscoplastique, endommagement, gonflement, ...) observés dans les différentes situations de fonctionnement du réacteur (normales, incidentelles ou accidentelles), modifient la microstructure et la composition du combustible, de nouvelles espèces chimiques appelées produits de fission (PF), étant créées sous forme solide ou gazeuse au sein du matériau. En collaboration avec EDF et Framatome, le CEA participe, d'une part, à de nombreux programmes de recherche expérimentaux qui visent à accroître la sûreté des réacteurs français. Il développe d'autre part, la plateforme logicielle PLEIADES dans l'objectif de simuler, sur la base d'une approche multi-physiques et multi -échelles, le comportement des combustibles nucléaires lors des différentes situations de fonctionnement du réacteur. Le sujet de cette thèse s'inscrit dans ce cadre et a pour objectif d'étudier le comportement des crayons combustibles lors d'une situation d'Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP). En effet, lors d'un APRP, l'augmentation de la pression interne peut conduire à un ballonnement local de la gaine à haute température, voire à une perte d'étanchéité du gainage. Sous certaines conditions, le combustible est alors susceptible de se fragmenter et de se relocaliser dans la gaine ballonnée, voire d'être éjecté. La question posée, qui est l'un des enjeux majeurs de la démonstration de sûreté, est de pouvoir quantifier l'impact du ballonnement de la gaine sur la fragmentation/relocalisation du combustible et de modéliser sa dispersion s'il y a éclatement de la gaine. Dans cette optique, la simulation alliée à une validation expérimentale, constitue un outil de choix pour conduire des études de sensibilité et accéder à des grandeurs difficilement mesurables expérimentalement. Le couplage entre la Méthode des Éléments Discrets d'une part et la Méthode des Éléments finis d'autre part, permettra de simuler la fragmentation et la relocalisation mécanique des fragments de combustible ainsi que la fissuration/rupture de la gaine. L'éjection des fragments hors de la gaine sera simulée à l'aide d'un couplage fluide – grain. Les défis scientifiques à relever consistent, d'une part, en un couplage des méthodes des Éléments Discrets et des Éléments Finis pour la description de la rupture de l'interface combustible – gaine et, d'autre part, en la modélisation du couplage fluide - grain pour la simulation de l'éjection. Le doctorant sera rattaché au Laboratoire d'Expertises et de Validation des Applications combustibles multi- filières (LEVA) du Département d'Etude des Combustibles (DEC). De façon générale, il bénéficiera d'un environnement faisant appel à des outils d'investigation de pointe sur le plan expérimental comme sur celui de la modélisation-simulation et d'un environnement collaboratif avec des partenaires industriels et académiques (Le Laboratoire de Mécanique et Génie Civil de l'Université de Montpellier en particulier).