Random 3D generation of MOX nuclear fuel microstructures and mechanical homogeneization
Génération 3D aléatoire de microstructures de combustibles nucléaires MOX et homogénéisation mécanique
Résumé
The MOX is a nuclear fuel made up of plutonium (Pu) and uranium oxides. The objective of the thesis
is to generate in 3D a representative elementary volume (REV) of its microstructure, to simulate the
mechanical behavior of the generated media, and to develop on it a reduced micromechanical model
using the Nonuniform Transformation Field Analysis (NTFA) method.
The texture of the material is recognized by maps of Pu content, obtained by electron microprobe. In the
past, the material was modeled as a three-phase medium, composed of two inclusion phases dispersed
in a matrix, with uniform Pu content in the three phases. A new modeling, based on a combination
of random sets and functions, allows to characterize microstructure phases and the variability of Pu
content inside each phase. This variability is modeled by stationary random functions, their statistical
characteristics are obtained after filtering the measurement noise associated to the electron microprobe.
The generated 3D microstructures take into account a distribution of the material in three phases, and
a variability of the Pu content in each phase.
From a mechanical point of view, the nuclear fuel is a material with non-linear aging viscoelastic
behavior and free swelling, which depends on the local plutonium content. Mechanical calculations,
using a Fast Fourier Transform resolution method, were performed on the generated microstructures,
and the results show that the effect of variability is important on the local mechanical fields and on
the effective behavior. On the other hand, the NTFA method, previously used for the same material,
is extended to take into account the Pu content variability, and optimized by linearizing the non-
linear behavior using the tangent second-order approximation (NTFA-TSO). The predictions of the
new reduced model are in good agreement with full-field simulations with a reduced number of internal
variables.
Le MOX est un combustible nucléaire composé d’oxydes de plutonium (Pu) et d’uranium. L’objectif
de la thèse est de générer en 3D un volume élémentaire représentatif de sa microstructure, de simuler
le comportement mécanique des milieux générés, et enfin de développer une loi de comportement
mécanique homogénéisée par la méthode de la Nonuniform Transformation Field Analysis (NTFA).
La texture du matériau correspond à la répartition hétérogène de teneur Pu, cartographiée par micro-
sonde électronique. Dans le passé, le matériau a été modélisé comme un milieu à trois phases, composé
de deux phases inclusionnaires dispersées dans une matrice, avec une teneur en Pu uniforme dans cha-
cune des trois phases. Une nouvelle modélisation, basée sur une combinaison de fonctions et ensembles
aléatoires, permet de caractériser les phases de la microstructure, ainsi que la variabilité de teneur Pu
dans chaque phase. Cette variabilité est modélisée par des fonctions aléatoires stationnaires, dont les
caractéristiques statistiques sont obtenues après un filtrage du bruit de la mesure par microsonde. Les
microstructures 3D générées prennent ainsi en compte la répartition du matériau en trois phases, et la
variabilité de teneur Pu dans chaque phase.
De point de vue mécanique, le combustible MOX est un matériau à comportement élastoviscoplastique
vieillissant avec des gonflements libres, dont les caractéristiques dépendent de la teneur en Pu. Des
calculs mécaniques ont été réalisés par une méthode à base de Transformées de Fourier Rapides sur les
microstructures générées. Ils montrent l’effet de la variabilité de Pu sur les champs mécaniques locaux et
sur le comportement effectif. Enfin, la méthode NTFA a permis de construire une loi de comportement
mécanique homogénéisée en tenant compte de la variabilité de la teneur en Pu. L’approximation NTFA-
TSO (Tangent Second Order) a été utilisée pour optimiser le comportement viscoplastique non-linéaire.
La prédiction avec la loi homogénéisée permet, avec un faible nombre de variables internes, de retrouver
les calculs en champs complet, pour le comportement effectif, comme pour les champs de contraintes
locaux.
Domaines
Sciences de l'ingénieur [physics]| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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