Etude du fluage d'assemblage de combustible en interaction fluide-structure

Study of fuel assembly creep in fluid-structure interaction

• Auteur / Autrice : Guilherme Moura vidal
• Direction : Guillaume Ricciardi, Vincent Faucher
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur : spécialité Mécanique des Solides
• Date : Inscription en doctorat le 04/10/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Cadarache - fission (IRESNE)

Mots clés

Mots clés libres

Fluage

Fluide-structure

Assemblage de combustible

Creep

Fluid-structure

Fuel assembly

Résumé

Au cours de son séjour en réacteur de puissance, l'assemblage de combustible est soumis à des contraintes mécaniques, thermiques et hydrauliques. Il subit, dans le cœur du réacteur, une évolution en cœur de sa géométrie, notamment allongement et déformation latérale du fait du phénomène de fluage sous écoulement d'eau. Avec l'accroissement des temps de séjour des assemblages combustibles dans les réacteurs de puissance (de l'ordre de +20 % sur les dernières gestions de combustible) et du fait des conditions d'utilisation de plus en plus sollicitantes, le besoin de compréhension de l'interaction du mécanisme de fluage avec la distribution de l'écoulement dans le faisceau de crayons déformé est nécessaire pour améliorer la robustesse des conceptions d'assemblage combustible Framatome. Il s'agit donc d'un problème d'interaction fluide-structure où l'écoulement joue un rôle dans le comportement du fluage de la structure et où la déformation de la structure modifie l'écoulement. Dans la littérature, l'approche actuelle en mécanique des structures consiste à simplifier la géométrie à l'aide de modèles de poutres avec ressort pour les relier. Plusieurs stratégies peuvent être trouvées à partir d'un modèle représentant un faisceau pour chaque crayon de combustible à la plus simple avec un faisceau pour un assemblage combustible. Un modèle détaillé sera utilisé pour simuler le comportement d'un assemblage combustible ou d'un crayon combustible en tenant compte du frottement grille-crayon. Dans ces modèles, le ressort et la bossette des grilles sont modélisés par un ressort linéaire ou rotatif 1D en tenant compte du frottement et du jeu possible. La rigidité équivalente est estimée par simulation locale détaillée basée sur des éléments de coque. Pour simuler un coeur entier, des modèles simplifiés sont utilisés. Le fluage des ressorts et l'accroissement des grilles, le diamètre et la longueur des gaines dus à l'irradiation sont pris en compte par la loi empirique en fonction de l'irradiation. L'effet du fluide est pris en compte par des modèles d'écoulement en milieux poreux. L'analyse de la littérature montre un manque en terme de résultats expérimentaux pour la mise en évidence du couplage hydraulique-fluage. La problématique scientifique sera donc de définir et de mettre ce couplage avec des matériaux simulants dans des temps compatibles avec une observation en laboratoire. La deuxième étape consistera à définir et déployer une méthodologie d'extrapolation au cas réelle. Le projet vise à développer une nouvelle approche expérimentale permettant d'obtenir des éléments de validation pour les outils de simulation numériques permettant de reproduire avec une précision suffisante l'évolution géométrique des assemblages en fonction du temps en réacteur i.e. sur des temps longs. L'approche proposée consiste à bénéficier du fluage rapide de matériaux déjà utilisés dans des maquettes à échelle réduite d'assemblage, à basse pression et à températures modérées pour capturer la phénoménologie de la déformation d'un faisceau de tubes sous écoulement. Des règles d'équivalence sur les lois matériaux et conditions hydrauliques seront utilisées pour définir les maquettes et plans d'expériences nécessaire pour reproduire la phénoménologie d'interaction fluide-fluage dans des temps courts et des conditions de laboratoire. L'étude expérimentale s'appuiera donc également sur un volet numérique permettant d'extrapoler les conclusions en conditions de laboratoire aux phénomènes en conditions cœur. Ces investigations prendront en compte un ensemble de phénomènes complexes : • Le comportement des matériaux : essentiellement la croissance, le fluage et la relaxation des contraintes thermiques ou sous irradiation, • Les chargements hydrauliques en interaction avec les déformations des assemblages, • Les forces de friction internes à l'assemblage de combustible. Expérimentalement, des méthodes de mesures optiques (LDV, PIV) et d'analyses des écoulements seront mis-en-œuvre afin d'avoir une caractérisation suffisante de l'écoulement autour des faisceaux déformés. La grande nouveauté scientifique de ce projet est basée sur la recherche d'équivalence entre des conditions expérimentales maitrisées et des conditions cœur réalistes pour explorer expérimentalement l'interaction entre forces fluides, déformations de structure et le comportement en fluage/irradiation fortement non linéaire des structures impliquées. Il portera un regard unique sur la problématique de fluage en condition réacteur. Ces travaux s'appuieront sur de nombreuses recherches précédentes ayant contribué à développer des modèles de simulations ou des méthodes expérimentales d'interaction fluide – structure élastique. Ce projet sera la première tentative d'étudier la réponse quasi statique en temps longs du comportement en fluage/relaxation avec interaction fluide-structure.

During its stay in the power reactor, the fuel assembly is subject to mechanical, thermal and hydraulic constraints. It undergoes, in the core of the reactor, an evolution in its core geometry, in particular elongation and lateral deformation due to the phenomenon of creep under water flow. With the increase in the residence times of fuel assemblies in power reactors (of the order of +20% on the latest fuel management) and due to the increasingly demanding conditions of use, the need for understanding of the interaction of the creep mechanism with the flow distribution in the deformed rod bundle is necessary to improve the robustness of Framatome fuel assembly designs. It is therefore a problem of fluid-structure interaction where the flow plays a role in the creep behavior of the structure and where the deformation of the structure modifies the flow.