Multi-scale study of the phenomenon of grain boundary failure in uranium dioxide.
Etude multi-échelle du phénomène de rupture des joints de grains dans le dioxyde d'uranium.
Résumé
In order to model the thermomechanical behavior of UO2 nuclear fuel, used in pressurized water nuclear reactors, during a hypothetical accident scenario such as Reactivity Initiated Accidents (RIA), precise knowledge of the grain boundary fracture threshold is necessary. Currently, the fracture thresholds used in nuclear fuel simulation codes are semi-empirical and need consolidation. The objective of this thesis is to obtain, through a multi-scale atomistic/mesoscopic approach, the elastic parameters, stress, and rupture energy of grain boundaries in UO2. This approach involves identifying parameters of a cohesive model at the mesoscopic scale with data from atomistic simulations. At the atomistic scale, molecular dynamics calculations using a semi-empirical variable charge potential (SMTB-Q) are conducted with the LAMMPS software. These calculations yield physical quantities characterizing the rupture of three representative grain boundaries in UO2. Structural analysis, performed on the three grain boundary structures under uniaxial tensile strain and over a wide range of temperatures, showed that the separation work is the most appropriate quantity to energetically characterize the rupture process. However, the separation work, being a path-dependent quantity, depends on the deformation rate of the system, similar to the maximum stresses reached during tensile loading. Crystallographic analysis did not reveal the formation of new phases or dislocation nucleation at the grain boundaries, indicating a brittle fracture. At the continuum scale, a cohesive-volumetric approach using concepts of frictional cohesive zone models (FCZM) and numerical modeling methods based on Non-Smooth Contact Dynamics (NSCD) is employed to simulate grain boundary rupture with the presence of a bubble under uniaxial tensile loading and hydrostatic pressure. The associated computational code, called XPER, allows the analysis of fracture induced by grain boundaries. A parametric study on the size, number, and shape of intergranular bubbles is conducted. Bubbles with sharp edges promote stress concentration, facilitating rupture initiation. The observed trends regarding the variation in bubble size are similar to the Griffith model, and the results align with experimental findings. Finally, based on mesoscopic results, a grain boundary rupture criterion implementable in macroscopic codes simulating the accident scenario is proposed.
Afin de modéliser la tenue thermomécanique du combustible nucléaire UO2, utilisé dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisée, au cours d'une hypothétique situation accidentelle telle que le RIA (Reactivity Initiated Accidents), une connaissance précise du seuil de rupture des joints de grains est nécessaire. Actuellement, les seuils de rupture utilisés dans les codes de simulation des combustibles nucléaires sont semi-empiriques et doivent être consolidés. L’objectif de cette thèse est d'obtenir, par une approche multi-échelle atomistique/mésoscopique, les paramètres élastiques, la contrainte et l’énergie à rupture des joints de grains dans l'UO2. Cette approche consiste à identifier les paramètres d’un modèle cohésif à l’échelle mésoscopique avec des données issues de simulations atomistique. A l’échelle atomistique, des calculs de dynamique moléculaire avec un potentiel semi-empirique à charges variables (SMTB-Q) sont menés à l'aide du logiciel LAMMPS. Ces calculs permettent l'obtention des grandeurs physiques caractérisant la rupture de trois joints de grains représentatifs de l'UO2. L'analyse structurale, réalisée sur les trois structures de joint de grains soumises à des contraintes de traction uniaxiale et sur une large plage de températures, a montré que le travail de séparation est la grandeur la plus appropriée pour caractériser d'un point de vue énergétique le processus de rupture. Le travail de séparation, étant une grandeur de parcours (dépend du trajet de chargement), dépend néanmoins de la vitesse de déformation du système, tout comme les contraintes maximales atteintes lors de la traction. L'analyse cristallographique n'a pas mis en évidence la formation de nouvelles phases ou la nucléation de dislocations au niveau des joints de grains, la rupture étant de type fragile. A l’échelle continue, une approche cohésive-volumétrique utilisant les concepts de modèles de zones cohésives frottantes (FCZM) et de méthodes de modélisation numérique des systèmes multicorps basées sur l'approche Non Smooth Contact Dynamics (NSCD) est utilisée pour simuler la rupture de joint de grains avec la présence d'une bulle sous chargement de traction uniaxiale et de pression hydrostatique. Le code de calcul associé, appelé XPER, permet d'analyser la fissuration induite par les joints de grains. Une étude paramétrique sur la taille, le nombre et la forme des bulles intergranulaires est menée. Les bulles munies de bords pointus favorisent la concentration de contrainte, facilitant ainsi l'amorçage de la rupture. Les tendances observées concernant la variation de la taille des bulles sont similaires au modèle de Griffith. Les résultats sont conformes aux résultats expérimentaux. Enfin, sur la base des résultats mésoscopiques, un critère de rupture des joints de grains implémentable dans les codes macroscopiques simulant le scénario accidentel, est proposé.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|