Study of the fracture behaviour of the HBS zone of UO2 fuel in pressurised water reactors, using a micromechanical approach under LOCA accident conditions
Etude du comportement à rupture de la zone HBS du combustible UO2 dans les réacteurs à eau pressurisée, par une approche micromécanique en condition accidentelle d’APRP
Résumé
Under Loss Of Coolant Accident(LOCA) transients conditions, the high irradiated fuel is fragmented in small sizes fragments whose can be relocated in the balloon, or being ejected out of the fuel rod if the latter burst. This work focuses on the pellet rim, where bubbles density increases owing to a higher irradiation level. Usually the hypothesis used to explain fuel fragmentation during transient is grain cleavage induced by over pressurized fission gas bubbles, located at the grain boundary. The aim of this study is to define a macroscopic fragmentation model based on a micro mechanical approach to have a better understanding of the fuel mechanical behaviour at lower scale : size and volume fraction of fragments. This PhD introduces a stepwise micromechanical method based on three steps : i) firstly, we detail how to model the HBS microstructure including pressurized porosities, based on experimental or numerical data and define a Representative Volume Element (RVE). The HBS bubbles can be characterized to determine their dimensions, their volume fraction, and their internal pressure. Two sources of information will be used : experimental observations from burned fuel discs or fuel pellets with high combustion rates and digital tools (with ALCYONE-CARACAS [JSB+14]). A 3D VER for the HBS area is built on these analyses for the localization step. This second step consists in carrying out Finite Element Calculations (with Cast3m [cas90]) in Full Fields with a cohesive model using a local damage behaviour law to study the craking path into the material under bubble pressure. We use 3D full field computations in order to determine the crack snapshot. Elastic computations are performed to find the bubbles pressure level which is required to reach the cracks initiation threshold. Then nonlinear computations, using a failure local behaviour law, are conducted to identify the failure snapshots. The latter will be used as an input for the homogenization step. The fracture criterion developed is a Griffith’s criterion type condition, established from the NTFA method and the variational formulation of fracture mechanics of Francfort-Marigo. Finally, the method developedp in this work is able to give the state of the fuel (broken or not) at the scale of the pellet for the zone HBS.
La reproduction expérimentale de transitoires thermiques accidentels de type Accident par Perte de Réfrigérant Primaire (APRP) en laboratoire a permis d’observer la fragmentation du combustible fortement irradié lorsque la gaine se déforme sous l’augmentation de la température. Ces fragments de petites tailles peuvent se relocaliser dans le ballon ou en cas de rupture de gaine, être éjectés hors du crayon combustible. La zone High Burnup Structure (HBS) des combustibles fortement irradiés est la plus susceptible de se fragmenter et d’être relocalisée par sa position en périphérie de pastille. Une hypothèse pour expliquer la présence de ces fragments est que le transitoire provoque une surpression dans les bulles HBS situées aux joints de grains (JDG) de la zone HBS qui mène à leur décohésion. Cette thèse a pour but de développer un critère de fissuration mécanique du combustible qui permet de mieux comprendre le comportement du combustible fortement irradié lors de la montée en pression des bulles HBS en utilisant une méthode micromécanique qui prend en compte la microstructure du combustible et les principes de la mécanique de la rupture. Ce travail est composé de trois étapes : i) l’étape de représentation permet de caractériser les bulles HBS (leurs dimensions, leur fraction volumique, et la pression interne). Deux sources d’informations seront utilisées : les observations expérimentales provenant de disques ou de pastilles de combustible irradiés à fort taux de combustion et d’outils numériques (avec ALCYONE-CARACAS [JSB+14]). De cette analyse est construit un VER en 3D de la microstructure HBS qui sera utilisé pour ii) la localisation. Cette seconde étape consiste à réaliser des calculs éléments finis (avec Cast3m [cas90]) en champs complets avec une loi d’endommagement locale de type zone cohésive pour étudier la fissuration du matériau sous un chargement de pression des bulles. Cette étude permet d’analyser la fragmentation et de déterminer les modes de fissuration locaux, un champ scalaire qui traduit l’état d’endommagement du matériau et sert de donnée d’entrée au critère de rupture macroscopique, décrit dans iii) l’étape d’homogénéisation. Le critère de rupture développé est de type Griffith et est établi sur la base de la méthode NTFA et de
la formulation variationnelle de la rupture de Francfort-Marigo. La méthode mise en place dans ce travail est
alors capable de donner l’instant de rupture du combustible ainsi que son état (rompu ou non).
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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