Les céramiques à base de dioxyde d’uranium UO2 constituent les combustibles nucléaires privilégiés des réacteurs en service en France. Afin de mener des études et expertises, le CEA développe des schémas numériques avancés pour la simulation prédictive du comportement de ces combustibles, s’appuyant sur une démarche d’amélioration continue des modèles et des lois de propriétés physiques des matériaux.
Les combustibles nucléaires de type UO2 sont des céramiques poreuses dont la microstructure dépend de leur procédé de fabrication (compaction de poudres), notamment en termes de forme et localisation de la porosité. Dans le cas du travail de recherche proposé ici, cette porosité est composée de deux familles (Meynard et al, 2018) : une famille de forme sphérique de petite taille et une famille de forme filamentaire de plus grande taille. La porosité filamentaire est pour partie connectée avec le milieu extérieur au combustible (porosité dite ouverte et percolante) et la porosité sphérique est plus isolée (porosité dite fermée). Les phénomènes physiques prenant place en réacteur entrainent une évolution de ces porosités et la création de produits de fission gazeux qui tendent à s’écouler dans le réseau poreux.
L’objectif de cette thèse est de développer un modèle d’écoulement de gaz en présence de : 1/ deux populations chimiques (xénon/krypton et hélium), 2/ deux populations de pores de topologie et d’échelle différentes, et 3/ dont les propriétés évoluent avec le temps.
Compte tenu de l’hétérogénéité de la microstructure, le modèle d’écoulement s’appuiera sur des outils numériques de génération de microstructures poreuses partiellement disponibles dans la littérature tels que les classiques pavages de Voronoï ou les plus récents processus de dépôt-compaction/diagénèse [Wojtacki et al, 2017]. L’effet des deux réseaux de porosité sur l’évolution de la perméabilité effective du milieu sera ensuite évalué en associant des méthodes analytiques et numériques de calcul d’écoulement. Une validation finale du modèle sera menée par comparaison avec des observations expérimentales récentes réalisées sur combustibles non irradiés et irradiés comprenant des mesures de porosités et de relâchement de gaz.
Ce travail de thèse sera mené au Service d’Etudes et Simulation du comportement des Combustibles du Département d’Etudes des Combustibles de l'institut IRESNE (CEA-Cadarache) et en collaboration avec le Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC) de l'Université de Montpellier. Il pourra être valorisé par des publications et des présentations en conférences internationales.