Multi-scale modeling for the coupling between physics and mechanics to describe the high temperature fuel behaviour of pressurized water reactor
Modélisation multi-échelle du couplage physico-chimie - mécanique du comportement du combustible à haute température des réacteurs à eau sous pression
Résumé
For the study of the Pellet-Cladding Interaction (PCI) in fuel rods, it is necessary to provide a good description of the thermomechanical behaviour of the fuel. During power fluctuations of the fuel, gaseous swelling induced by irradiation is one of the main phenomena to be dealt with. Indeed, fuel is a porous ceramic of UO2 containing several types of cavities and the accumulation of fission products in gaseous form in these cavities causes swelling of the pellet. This gaseous swelling has an influence on the mechanical behaviour of the pellet, in particular in terms of viscoplastic behaviour. To improve the description of this behaviour, it was necessary to develop a micromechanical model taking both into account two phenomena previously studied independently: the transfer of gas between the various cavities and the estimation of mechanical viscoplastic strains of the fuel. This thesis aims at linking these two problems through cavities present in the fuel: mechanics evaluates changes in the volume fraction of cavities according to their pressure and physics evaluates the evolution of the volume fraction of cavities to estimate a better internal pressure. In order to describe a more complex microstructure, a new micromechanical model was developed using a multi-scale approach to describe the viscoplastic behavior of nuclear fuel.
Dans le cadre de la problématique de l'Interaction entre la Pastille et la Gaine (IPG) d'un crayon combustible, il est nécessaire d'avoir une bonne description du comportement thermomécanique du combustible. Lorsque le combustible est soumis à de fortes variations de puissance, une des principales sollicitations provient du phénomène de gonflement gazeux induit par l'irradiation. En effet, le combustible est un milieu poreux contenant différents types de cavités et l'accumulation de produits de fission sous forme gazeuse dans toutes ces cavités entraîne un gonflement de la pastille. Or, ce gonflement gazeux va impacter le comportement mécanique de la pastille et particulièrement son comportement viscoplastique. Afin d'améliorer la description de ce comportement, il a été nécessaire de développer un modèle micromécanique capable de coupler deux types de modélisation relativement autonome : la physico-chimie simulant les transferts de gaz entre les différentes cavités et la mécanique estimant les déformations viscoplastiques du combustible. Ce travail de thèse consiste à mettre en relation ces deux disciplines à partir des cavités présentes dans le combustible : la mécanique calcule une évolution de la fraction volumique de cavités en tenant compte de leurs pressions et la physico-chimie tient compte de l'évolution de la fraction volumique des cavités pour calculer une pression interne cohérente. Afin de pouvoir décrire une microstructure beaucoup plus riche, un nouveau modèle micromécanique a été développé en utilisant une approche multi-échelles et qualifié pour la description du comportement viscoplastique du combustible nucléaire.